圖形學筆記：光柵化圖形管線

圖形管線是目前使用最爲廣泛的渲染方式。

圖形管線

圖形管線中，頂點處理將3D的頂點轉換到屏幕2D空間上，光柵化尋找每個圖元對應的像素生成未着色的片段(fragments)，片段處理步驟將每個片段着色，最後混合每個片段生成最終顯示的圖像。

更形象的幾張圖用來幫助理解，從中可以看到每一個操作的輸入和輸出。

頂點處理

在頂點處理中，主要用到的技術是座標變換。

經過多次座標變化，物體從世界座標系中最終變換到2D的屏幕上。

其間，還需要剔除視野之外的物體。

光柵化

屏幕是像素點陣組成，而變換得到的屏幕空間仍然是連續的。光柵化就是將連續空間分配到每個離散像素的過程。

直線

對於直線來說，根據像素中點決定哪個像素在直線上：

三角形

對於三角形，使用質心座標系計算每個像素的(α,β,γ)$(\alpha ,\beta ,\gamma )$ 值，然後進行插值處理。

片段處理

在光柵化步驟得到的片段是沒有顏色的，在片段處理階段給像素着色。

抗鋸齒

鋸齒的根本原因在於頻譜混疊，解決辦法是超採樣和使用重建濾波器。

着色

着色主要考慮的是光。和光線追蹤中的光照模型一樣，要考慮環境光、漫反射光和鏡面反射光。

每個像素處的顏色爲：

c=cr(ca+clmax(n∗l))+cl(h∗n)p$$c=c_r(c_a+c_{l}max(n\ast l))+c_l(h\ast n{)}^p$$

其中cr$c_r$ 是每個像素處的紋理特性。這個值可以由頂點顏色插值得到，也可以查詢紋理圖得到。

紋理映射

紋理映射的目的是爲了得到每個像素的紋理值。三角形的每個頂點需要記錄紋理圖中的查詢座標，然後通過數值插值得到每個像素的紋理圖座標，最後查詢紋理圖得到該像素的紋理信息。這些紋理信息帶入到上面的光照模型中可以得到最終的光照信息。

值得注意的是，在插值的時候會有一個問題：本來應該在3D世界座標系上進行插值，但是現在的做法是在屏幕空間上插值，這樣會導致透視錯誤。這一步需要引入透視校正，具體做法就是給(α,β,γ)$(\alpha ,\beta ,\gamma )$ 座標做一次校正再去插值。

和光線追蹤類似，在圖形流水線中也要考慮鏡面反射和陰影。這兩個效果分別通過環境貼圖和陰影貼圖來實現的。

環境貼圖的做法是，根據每個像素處的法線和入射光方向，計算反射光的方向，直接在環境貼圖中查詢。

陰影貼圖的做法是先由光源處計算生成陰影貼圖，然後使用相同的座標變換得到每個頂點的深度，把這個深度和陰影貼圖對比，以此判斷這個頂點是否是陰影。

混合

上面得到的着色片段還是帶有深度信息的，根據這些深度信息最終確定每個像素的值，深度小的片段最終才能顯示在屏幕上。主要算法是z-buffer算法。