光柵化 - 3D圖形芯片的算法原理分析

　　光柵化處理通過插值求得三角形內(nèi)掃描段的x坐標的起點和終點。問題是何處是終點和起點?當使用實數(shù)坐標時在象素之內(nèi)的何處進行采樣，屏幕坐標是取整數(shù)還是保留小數(shù)精度?這些問題如果處理得不好，就會在多邊形之間產(chǎn)生孔洞，產(chǎn)生重疊的多邊形，這會在透明效果處理時產(chǎn)生嚴重問題。如果反走樣處理不精確，則會在帶有紋理的表面上產(chǎn)生紋理不連續(xù)現(xiàn)象。例如，如果對屏幕坐標取整，則屏幕多邊形的頂點將延伸或縮回到離它最近的象素，這樣多邊形的大小將發(fā)生微小的變化，而且不能用密集采樣進行反走樣處理，動畫中的“顫抖”現(xiàn)象便是由此而引起的。在象素內(nèi)何處采樣并不重要，重要的是對象素采樣的處理必須一致。

　　2.隱藏面消除

　　全屏幕Z-Buffer(深度緩存器)算法已成為圖形學事實上的標準隱藏面消除算法，他雖然簡單但存儲要求很高。Z-Buffer算法可看作是工作在三維屏幕空間。每一個象素有一個二維屏幕空間坐標( xs , ys )和由眼睛空間頂點的深度值插值而得到的z深度值。深度緩存器開始時被初始化為遠處裁剪平面的深度，對每一個象素比較其插值得到的深度值與已存儲在深度緩存中( xs , ys )處的值，如果該值小于存儲值，則新計算的象素更靠近觀察者。這時新計算的象素的明暗處理值將覆蓋幀緩存中的舊值，深度存儲器中的值也換成新計算的值。深度緩存器算法對場景數(shù)據(jù)庫組織及場景復雜性沒有限制。在處理復雜場景或物體時，應保證足夠的深度精度。

　　3.明暗處理

　　首先計算多邊形頂點的明暗參數(shù)，然后在多邊形平面上進行插值。這樣繪制出的物體不但具有很強的三維立體感，而且消除了用于近似曲面的多邊形之間的公用邊所形成的不連續(xù)特征。實現(xiàn)這一處理方式的算法有兩種，一種稱作Gouraud明暗處理，一種稱作Phong明暗處理(均以發(fā)明者的名字命名)。這也是基于多邊形的繪制日益受歡迎的一個重要原因。Gouraud明暗處理的速度快，但不能產(chǎn)生精確的高光效果，通常用在對速度要求高的場合，如飛行模擬、交互式CAD應用等。Phong明暗處理可以生成高質(zhì)量的圖像，但將耗費龐大的硬件資源。Gouraud明暗處理僅在多邊形的頂點使用局部反射光照模型計算光強，然后使用頂點處的光強通過插值求出多邊形內(nèi)各象素的光強值。而Phong明暗處理則對頂點的法向量進行插值，并對多邊形內(nèi)的每一個象素用局部反射光照模型計算其光強。一般說來，多邊形頂點的光強是頂點的法向量相對于光源和視點的方向的函數(shù)，這就是所謂的局部反射光照模型。頂點的法向量用來近似原物體表面在該點處的法向量，通過平均公用該頂點的所有多邊形的法向量求得。

　　Gouraud明暗處理僅與局部光照模型中的漫反射分量一起使用，這是因為當高光點完全落在多邊形之內(nèi)時，其對多邊形頂點處沒有任何影響。該方法是目前3D圖形硬件都支持的唯一的明暗處理方法。

　　4.特殊效果

　　紋理映射、透明以及霧化(大氣效應)等真實感效果都是在象素處理階段實現(xiàn)的。物體表面紋理的定義是在世界坐標系中進行的，通過預處理，每個帶有紋理的多邊形在其頂點數(shù)據(jù)中建立了與相應紋理圖的映射關(guān)系。在繪制帶有紋理的多邊形時，其相應的紋理圖也同時被加載到紋理存儲器中，在求出物體上象素坐標的同時其相應的紋理坐標也被計算出來。用該紋理坐標從紋理存儲器中讀出相應紋理象素的值，將其與明暗處理的結(jié)果進行混合就得到要顯示的象素值。霧化(大氣效應)則是在計算出的象素值上乘上一個與深度有關(guān)的衰減因子。對落在同一屏幕位置的象素點的象素值按其所屬物體的透明系數(shù)進行加權(quán)融合就可以產(chǎn)生透明效果。

　　五、結(jié)束語

　　3D圖形應用對計算和存儲資源的巨大需求以及3D圖形生成算法與傳統(tǒng)計算機體系結(jié)構(gòu)的不相適應產(chǎn)生了3D圖形硬件。PC機上的3D圖形硬件的出現(xiàn)只是最近幾年的事，它是技術(shù)進步和市場推動的結(jié)果。目前，3D圖形硬件既有高端的專用圖形工作站也有入門級的圖形加速卡，任何更好更快的圖形效果的獲得都需要付出巨大的硬件代價。