GAMES101图形学之光栅化(上)

前提

可以先看这个 《计算机图形学基础》之图像的光栅化,不看的话要记住以下几件事:

  • 屏幕是由很多个像素组成的,分辨率就是指像素的数量
  • 先把一些 3D 物体在场景中摆放好,光栅化就是从一个角度看这些物体,把看到的画面显示在由很多像素组成的屏幕上的过程。
  • 一个像素只能显示一种颜色,你可以理解为一个像素就是一个正方形的小格子。
  • 一个像素里面有 RGB 三种颜色的强度,一般都是用的 8bit 寄存器,也就是每个通道是 0-255 的强度。(2^8 = 256)

定义像素坐标

《计算机图形学基础》中定义的方式不同,这门课程的定义方式如下:


从 0 开始,蓝色格子的坐标为 (2,1),蓝色格子中心点坐标为 (2.5,1.5)。

视口变换

设定屏幕的宽为 weight 像素,高为 height 像素。前面经历了 模型变换摄像机变换投影变换(MVP)之后,得到了一个 [-1,1]^3 的立方体之后,需要将该立方体变换到屏幕上,也就是先放大 [weight/2,height/2],再往右上移动 [weight/2,height/2],就可以使得立方体原来 (-1,-1,0) 的点变换到屏幕坐标的 (0,0) 点。这里的深度,也就是 z 轴先不用管。

把标准立方体映射到屏幕

变换矩阵为:
大框框控制缩放,小框框控制平移

光栅化

因为模型是由很多三角形组成的,所以此时,这个画面也依然是由很多三角形构成,我们要把它变成一个个小方块(像素)。(至于为什么是三角形,是因为三角形有良好的性质,比如可以根据三个角对内部进行插值等)

要把左边由三角形构成的图变成右边,也就是使得右边每一个像素都是单一的颜色

对于完全是橘色的像素,和完全是白色的像素很好上色,但对于一半是橘色,一半是白色的如何给像素上色就是一个问题。
这就涉及到图形学中一个常见的方法:采样。如何上色取决于某个位置是否在三角形内部,最简单的方法就是把这个位置定在像素中心点,那么问题就转换成了每个像素中心点是否在三角形内部,如果我们有一个 Inside=F(x,y) (0≤x≤weight,0≤y≤height) 的连续函数,那么只需要令 (x,y) 等于一个像素的中心点,得到一个 bool 值,代表了该点是否在三角形内部。这就是采样,就是使连续函数离散化的过程。上述是在二维空间的采样,在三维空间也可以采样,比如对一个 SDF 3D 贴图进行采样得到其表示的模型。
回到如何给一半橘,一半白的像素上色的问题,对像素中心点采样之后,如果该点在内部,则整体都是橘色,反之整体都是白色。
使用像素中心点采样

确定是否在三角形内

添完色

很明显的锯齿,光栅化图形学的问题之一,下一章讨论优化办法。

Inside 函数的实现

如何实现这个函数呢?看下面,判断 Q 是否在三角形内部。



使用三次叉乘(右手定则)即可:

  • P1P2 X P1Q > 0
  • P2P0 X P2PQ < 0
  • P0P1 X P0Q > 0

三个大小不一样,所以 Q 不是在三条线的同一侧,所以 Q 在三角形外部。
那是否所有的像素中心点都要采样一次呢?也不是,对于一个三角形而言,只会覆盖一个有限的矩形区域:


只需要遍历蓝色部分即可

进一步可能的优化是每一行都取最左和最右,对于那种瘦瘦长长斜斜的三角形来说会优化很多:


指路

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