图形学笔记：光栅化图形管线

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图形管线是目前使用最为广泛的渲染方式。

图形管线

图形管线中，顶点处理将3D的顶点转换到屏幕2D空间上，光栅化寻找每个图元对应的像素生成未着色的片段(fragments)，片段处理步骤将每个片段着色，最后混合每个片段生成最终显示的图像。

更形象的几张图用来帮助理解，从中可以看到每一个操作的输入和输出。

顶点处理

在顶点处理中，主要用到的技术是坐标变换。

经过多次坐标变化，物体从世界坐标系中最终变换到2D的屏幕上。

其间，还需要剔除视野之外的物体。

光栅化

屏幕是像素点阵组成，而变换得到的屏幕空间仍然是连续的。光栅化就是将连续空间分配到每个离散像素的过程。

直线

对于直线来说，根据像素中点决定哪个像素在直线上：

三角形

对于三角形，使用质心坐标系计算每个像素的$(\alpha ,\beta,\gamma)$值，然后进行插值处理。

片段处理

在光栅化步骤得到的片段是没有颜色的，在片段处理阶段给像素着色。

抗锯齿

锯齿的根本原因在于频谱混叠，解决办法是超采样和使用重建滤波器。

着色

着色主要考虑的是光。和光线追踪中的光照模型一样，要考虑环境光、漫反射光和镜面反射光。

每个像素处的颜色为：

$$c=c_r(c_a+c_lmax(n*l))+c_l(h*n)^p$$

其中$c_r$是每个像素处的纹理特性。这个值可以由顶点颜色插值得到，也可以查询纹理图得到。

纹理映射

纹理映射的目的是为了得到每个像素的纹理值。三角形的每个顶点需要记录纹理图中的查询坐标，然后通过数值插值得到每个像素的纹理图坐标，最后查询纹理图得到该像素的纹理信息。这些纹理信息带入到上面的光照模型中可以得到最终的光照信息。

值得注意的是，在插值的时候会有一个问题：本来应该在3D世界坐标系上进行插值，但是现在的做法是在屏幕空间上插值，这样会导致透视错误。这一步需要引入透视校正，具体做法就是给$(\alpha ,\beta,\gamma)$坐标做一次校正再去插值。

和光线追踪类似，在图形流水线中也要考虑镜面反射和阴影。这两个效果分别通过环境贴图和阴影贴图来实现的。

环境贴图的做法是，根据每个像素处的法线和入射光方向，计算反射光的方向，直接在环境贴图中查询。

阴影贴图的做法是先由光源处计算生成阴影贴图，然后使用相同的坐标变换得到每个顶点的深度，把这个深度和阴影贴图对比，以此判断这个顶点是否是阴影。

混合

上面得到的着色片段还是带有深度信息的，根据这些深度信息最终确定每个像素的值，深度小的片段最终才能显示在屏幕上。主要算法是z-buffer算法。