前言

現(xiàn)實(shí)中，光照射到物體上熬尺，物體反射光進(jìn)入人眼摸屠，形成顏色，組合成視覺(jué)效果粱哼，相機(jī)模擬這一過(guò)程季二，圖形亦然。圖形渲染根據(jù)3d場(chǎng)景生成2d圖像，圖像盡可能模擬自然胯舷，盡可能真實(shí)刻蚯。

渲染有兩種方式，射線追蹤和光柵化桑嘶，前者更接近自然規(guī)則炊汹，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單效果好，不過(guò)計(jì)算量大逃顶，廣泛應(yīng)用電影CG等離線渲染讨便，后者效率高，實(shí)現(xiàn)自然效果比較麻煩以政，同時(shí)GPU硬件支持霸褒，廣泛應(yīng)用游戲等實(shí)時(shí)渲染。

簡(jiǎn)介

計(jì)算機(jī)圖形盈蛮，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬3d世界废菱，并最終通過(guò)2d屏幕展示。主要包括Modeling/Rendering/Animation抖誉。

Modeling殊轴，通過(guò)數(shù)學(xué)方式建立3d幾何數(shù)據(jù)√宦可以通過(guò)3dMax梳凛、Blender等建模軟件，也可以通過(guò)數(shù)學(xué)公式表達(dá)梳杏。

Rendering，接受3d幾何數(shù)據(jù)淹接，最終顯示在2d屏幕上十性，常見(jiàn)有光柵化和射線追蹤。

Animation塑悼，間隔一定時(shí)間變換屏幕顯示劲适，造成動(dòng)畫(huà)錯(cuò)覺(jué)。

這里主要是介紹Rendering即渲染厢蒜，模型和動(dòng)畫(huà)會(huì)在后續(xù)3ds Max詳解霞势。

數(shù)學(xué)

數(shù)學(xué)是一切自然科學(xué)的基石，圖形學(xué)大量使用數(shù)學(xué)知識(shí)斑鸦。

坐標(biāo)系

為了描述位置愕贡、方向等信息，需要選擇一個(gè)度量的參考點(diǎn)巷屿，這個(gè)就是坐標(biāo)系固以，常見(jiàn)的有笛卡爾坐標(biāo)系，用互相垂直的軸作為原點(diǎn)參考。2d的有x和y軸憨琳，3d的有xyz三個(gè)互相垂直的軸诫钓，常見(jiàn)的有左手坐標(biāo)系和右手坐標(biāo)系，dx采用左手坐標(biāo)系篙螟，opengl采用右手坐標(biāo)系菌湃。計(jì)算機(jī)的顯示屏幕，本質(zhì)上是一個(gè)橫豎布局的畫(huà)布遍略，左上角為原點(diǎn)惧所，向下為正，y軸依次增加墅冷，向左為正纯路，x軸依次增加。手機(jī)屏幕1920 x 1080寞忿，橫向x軸1920個(gè)像素驰唬，y軸1080個(gè)像素，最終手機(jī)渲染的圖像會(huì)顯示在這個(gè)像素區(qū)域腔彰。

向量和矩陣

向量用來(lái)表達(dá)幾何數(shù)據(jù)叫编，矩陣用來(lái)變換向量。向量用來(lái)表達(dá)3d空間的位置霹抛、方向搓逾、法線等等幾何數(shù)據(jù)，向量常見(jiàn)的運(yùn)算有杯拐，求長(zhǎng)霞篡、歸一、相乘端逼、點(diǎn)積和叉積等等朗兵，有良好的數(shù)學(xué)和幾何屬性，用來(lái)表達(dá)基礎(chǔ)幾何數(shù)據(jù)顶滩。矩陣的初衷用來(lái)解決數(shù)學(xué)函數(shù)的求解余掖，有良好的數(shù)學(xué)表達(dá)能力，被發(fā)覺(jué)用來(lái)做變量變換礁鲁。矩陣常見(jiàn)的運(yùn)算有盐欺、相乘、轉(zhuǎn)置仅醇、求反等等冗美。向量常見(jiàn)的三種變化移動(dòng)、縮放和旋轉(zhuǎn)析二，3d向量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換墩衙、轉(zhuǎn)換成2d并最終轉(zhuǎn)換成屏幕空間的2d像素等等，用矩陣都可以很好很高效的實(shí)現(xiàn)。

幾何

使用數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)3d世界漆改，可以使用網(wǎng)格(Mesh)心铃，也可以使用數(shù)學(xué)公式，前者是渲染和很多操作的基石挫剑，后者也用于很多地方的計(jì)算去扣。一個(gè)圓形，既可以用mesh樊破，很多三角形來(lái)模擬愉棱，也可以使用數(shù)學(xué)公式，(x-x0) * (x - x0) + (y - y0) * (y - y0) = r * r來(lái)表達(dá)哲戚。比如在引擎中導(dǎo)入模型奔滑，基礎(chǔ)的mesh數(shù)據(jù)外面往往帶有包圍盒或者包圍球，渲染的時(shí)候顺少，首先判定包圍盒或球是否在視錐體朋其，如果在進(jìn)行后續(xù)流程，不在的話脆炎，直接剔除梅猿，這個(gè)叫做攝像機(jī)剔除，大大提高場(chǎng)景渲染效率秒裕。射線相交的時(shí)候袱蚓，首先判定射線是否和包圍盒或者包圍球相交，如果相交几蜻，進(jìn)行后續(xù)步驟喇潘，大大提高相交效率。

兩者都有大量運(yùn)用梭稚，這里主要是講Mesh颖低。網(wǎng)格主要包括點(diǎn)(Vector)，線(Egde)和面(Face)哨毁。面有很多拓?fù)鋯卧褂帽容^多的三角形源武，三角關(guān)系比較穩(wěn)定扼褪，三角組成了最簡(jiǎn)單的面，沒(méi)有歧義粱栖，適用于大量數(shù)學(xué)運(yùn)算并且被GPU支持话浇，效率非常高。

渲染

根據(jù)3d場(chǎng)景生成2d圖像闹究，并在屏幕上顯示幔崖，圖像可以是真實(shí)感的，也可以是非真實(shí)感的，前者需要模擬大自然的模擬現(xiàn)象赏寇。

渲染流程的話吉嫩，大概如下3d場(chǎng)景->渲染過(guò)程->顯示屏幕

1，顯示屏幕嗅定，本質(zhì)橫向和縱向的像素畫(huà)布自娩，連續(xù)的量轉(zhuǎn)換成離散的量會(huì)出現(xiàn)鋸齒，減少鋸齒的話渠退，有三個(gè)方面忙迁，加大屏幕分辨率，抗鋸齒算法和動(dòng)畫(huà)

2碎乃，3d場(chǎng)景姊扔，主要包括Model，Camera和Light梅誓，Model的話恰梢，可以使用網(wǎng)格來(lái)表示，也可以數(shù)學(xué)方式來(lái)表達(dá)证九。

3删豺，渲染過(guò)程，渲染主要包括兩個(gè)階段愧怜，透視和著色呀页。

人眼看自然世界，遠(yuǎn)處看起來(lái)更小拥坛，秋水共長(zhǎng)天一色蓬蝶，遠(yuǎn)處的山和水竟然連在一起啦！這個(gè)是透視現(xiàn)象猜惋，照相機(jī)和圖形渲染時(shí)候丸氛，都采用相同原理。人眼看到各種顏色主要是有光著摔，光通過(guò)各種反射折射等等最終傳播到人眼形成顏色缓窜，這個(gè)過(guò)程稱為著色。

渲染過(guò)程

3.1 透視

透視將3d場(chǎng)景轉(zhuǎn)換成2d像素谍咆。

光柵化的話禾锤，通過(guò)矩陣投影將3d轉(zhuǎn)換成2d(透視除法)和深度信息(z-buffer)，根據(jù)深度判定前后關(guān)系摹察，離攝像機(jī)進(jìn)的覆蓋遠(yuǎn)處恩掷。射線追蹤通過(guò)從攝像機(jī)射出射線，判定是否相交供嚎，距離近的覆蓋遠(yuǎn)的黄娘。光柵化效率更高峭状，目前被GPU支持。

3.2 著色

著色生成像素的顏色逼争。著色計(jì)算所有的光照信息在材質(zhì)表面的行為优床，并最終生成反射形成顏色。

光由大量光子構(gòu)成氮凝，光子傳播到材質(zhì)上羔巢，會(huì)根據(jù)表面的垂直方向(法線)和入射方向形成反射，反射最終到達(dá)人眼形成顏色罩阵，材質(zhì)的感覺(jué)比如鏡面竿秆、塑料、金屬也跟材質(zhì)的各種屬性決定稿壁。漫反射幽钢，材質(zhì)表面比較粗糙，光朝這個(gè)各個(gè)方向反射傅是，效果取決與光的方向和表面法線匪燕，用于模擬塑料等材質(zhì)。鏡面(光澤)反射喧笔，光的反射主要集中在特定方向帽驯，效果取決與光的方向、表面法線和觀察方向书闸，用于模擬鏡子尼变、金屬等材質(zhì)。

透明浆劲，光傳播到類似于玻璃球這樣的透明材質(zhì)嫌术，會(huì)有反射和折射現(xiàn)象，反射和折射滿足菲涅耳公式牌借。用于模擬度气，玻璃球、水等透明的材質(zhì)膨报。

次表面反射磷籍，實(shí)現(xiàn)半透明效果，用于模擬皮膚等现柠。

間接光照院领，光的效果不是來(lái)自光源，而是其他材質(zhì)的反射晒旅。

全局光照栅盲，關(guān)照即來(lái)自光源汪诉，也來(lái)自其他材質(zhì)的反射等废恋，用于模擬更真實(shí)

射線追蹤

該算法能夠比較好的模擬自然現(xiàn)象谈秫，不過(guò)計(jì)算量大，廣泛應(yīng)用離線渲染鱼鼓。

射線追蹤的路徑

1拟烫，F(xiàn)arward Tracing(light tracing)，模擬自然界光子的運(yùn)動(dòng)迄本，不過(guò)硕淑，光子的運(yùn)動(dòng)隨機(jī)，光子與表達(dá)介質(zhì)的幾何數(shù)據(jù)求交消耗大嘉赎，現(xiàn)實(shí)中置媳，光源包括大量大量的光子，實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制公条，計(jì)算消耗大拇囊，效果隨機(jī)，大量采樣才能保證效果靶橱。

2寥袭，Backward Tracing(eye tracing)，從攝像機(jī)射出射線(primary ray)关霸，判定當(dāng)前攝像是否和模型相交传黄，根據(jù)模型的材質(zhì)，反射生成新的射線(shadow ray)队寇，這樣射線和運(yùn)算都可以控制下來(lái)膘掰。主要的話采用這種方式實(shí)現(xiàn)。

算法步驟：

1英上，生成射線炭序。屏幕相當(dāng)于攝像機(jī)前面的畫(huà)布，從攝像機(jī)位置出發(fā)苍日，對(duì)屏幕上每個(gè)像素生成射線惭聂，carema ray(primary ray)

2，射線幾何相交相恃。判定射線和幾何體相交辜纲，著色距離最近的片段，傳遞給下一階段拦耐，沒(méi)有任何相交片段的話耕腾，重復(fù)步驟1.

3, 著色片段，根據(jù)介質(zhì)屬性和光的傳播特性杀糯，生成shadow ray扫俺，最終著色，形成像素固翰，傳遞下一階段狼纬。

4羹呵，顯示階段，更新FrameBuffer疗琉，給屏幕顯示冈欢。

光柵化

實(shí)時(shí)渲染的主流技術(shù)，理論形成較早盈简，有成熟的pipeline支持凑耻，性能較好，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜效果比較麻煩柠贤，廣泛應(yīng)用于游戲等領(lǐng)域香浩，被GPU硬件支持。

算法步驟：

1臼勉，投影階段弃衍，3d點(diǎn)轉(zhuǎn)換成2d點(diǎn)。轉(zhuǎn)換過(guò)程為局部坐標(biāo)系->世界坐標(biāo)系->攝像機(jī)坐標(biāo)系->NDC->屏幕坐標(biāo)系坚俗，輸出2d點(diǎn)镜盯，給下階段使用。

2猖败，光柵階段速缆，2d點(diǎn)組成2d面，2d面填充片段恩闻，這個(gè)過(guò)程中艺糜，連續(xù)的量通過(guò)離散的量表示，會(huì)出現(xiàn)鋸齒幢尚。插值單個(gè)片段破停，獲得單個(gè)片段的屬性。輸出片段尉剩，給下階段使用真慢。這個(gè)過(guò)程，需要透視矯正理茎。

3黑界，著色階段，著色單個(gè)片段皂林。根據(jù)片段的材質(zhì)屬性比如光照朗鸠、紋理等形成最終顏色，輸出像素础倍，給下階段使用烛占。

4，顯示階段沟启，投影階段會(huì)存儲(chǔ)相應(yīng)的深度值忆家，離攝像機(jī)進(jìn)的片段輸出像素至FrameBuffer呀癣，最終給屏幕顯示。