引言

在計(jì)算機(jī)圖形的世界中，光柵化是一個(gè)至關(guān)重要的過程，它將矢量圖形轉(zhuǎn)換為位圖。位圖，也稱為光柵圖像，是由像素（圖像的最小組成單位）組成的，而矢量圖形則由點(diǎn)、線和曲線等幾何圖形構(gòu)成。

矢量圖形與位圖概述

矢量圖形

矢量圖形是通過數(shù)學(xué)方程定義的。它們由一系列點(diǎn)、線和曲線組成，這些點(diǎn)、線和曲線可以根據(jù)需要進(jìn)行縮放和旋轉(zhuǎn)而不失真。矢量圖形通常用于創(chuàng)建徽標(biāo)、圖標(biāo)和字體，因?yàn)樗鼈兛梢员３智逦龋瑹o論顯示在多大的尺寸上。

位圖

位圖由像素組成，每個(gè)像素都包含顏色和透明度信息。位圖的分辨率通常以每英寸像素?cái)?shù) (PPI) 為單位。分辨率越高，圖像越清晰，但文件大小也越大。位圖通常用于照片和復(fù)雜圖像，因?yàn)樗鼈兛梢詼?zhǔn)確地表示現(xiàn)實(shí)世界的圖像。

光柵化過程

光柵化過程將矢量圖形轉(zhuǎn)換為位圖。它涉及以下步驟：

1. 裁剪

矢量圖形的邊界被裁剪成一個(gè)矩形。

2. 采樣

矢量圖形在矩形內(nèi)部以定期間隔進(jìn)行采樣。在每個(gè)采樣點(diǎn)，矢量圖形的幾何形狀和顏色信息被計(jì)算出來。

3. 抗鋸齒

抗鋸齒是一種技術(shù)，用于減少像素化和鋸齒感。它通過混合相鄰像素的顏色來平滑圖像的邊緣。

4. 生成位圖

最后，采樣數(shù)據(jù)被組織成一個(gè)位圖，每個(gè)像素包含顏色和透明度信息。

影響光柵化質(zhì)量的因素

光柵化質(zhì)量受以下因素影響：

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光柵化的介紹

光柵化是一種將二維圖像轉(zhuǎn)化為位圖圖像的技術(shù)。

詳細(xì)解釋如下：

光柵化是一種圖形處理技術(shù)，主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和游戲開發(fā)中。 它通過特定的算法將二維圖像或者三維模型的渲染結(jié)果轉(zhuǎn)化為位圖圖像。 這一過程涉及到像素級(jí)別的處理，即將連續(xù)的圖像信號(hào)離散化，以便于在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示。 在光柵化的過程中，圖像中的各種元素如線條、形狀和色彩等都會(huì)被轉(zhuǎn)換為像素的排列組合，從而形成了可以在屏幕上顯示的圖像。

光柵化的主要目的是提高圖像的清晰度和逼真度。 通過光柵化，可以將矢量圖形轉(zhuǎn)換為位圖圖像，使得圖形的細(xì)節(jié)更加豐富多彩。 此外，光柵化還能夠優(yōu)化圖像的顯示效果，使其更加符合人眼的視覺感知。 在計(jì)算機(jī)游戲領(lǐng)域，光柵化的技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的游戲畫面和流暢的游戲體驗(yàn)至關(guān)重要。

光柵化的過程涉及到多個(gè)步驟，包括渲染管線中的頂點(diǎn)處理、圖元裝配、光照計(jì)算等。 在頂點(diǎn)處理階段，圖形的頂點(diǎn)坐標(biāo)會(huì)被轉(zhuǎn)換為屏幕上的像素坐標(biāo)。 接下來，圖元裝配階段會(huì)將頂點(diǎn)連接起來形成圖形元素。 然后，在光照計(jì)算階段，根據(jù)光照模型計(jì)算每個(gè)像素的光照信息。 最后，通過紋理映射和像素著色等步驟，完成最終的光柵化過程，生成可以在屏幕上顯示的位圖圖像。

總之，光柵化是一種將二維圖像或三維模型轉(zhuǎn)化為位圖圖像的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和游戲開發(fā)中。 它通過特定的算法和步驟，將連續(xù)的圖像信號(hào)離散化為像素的排列組合，從而實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的游戲畫面和逼真的圖像效果。

大世界技術(shù)淺析——超遠(yuǎn)視距與剔除(3)

深入探索大世界的技術(shù)奧秘：超遠(yuǎn)視距與剔除的藝術(shù)

在大世界構(gòu)建中，剔除（Culling）是關(guān)鍵的技術(shù)手段，它旨在降低GPU的計(jì)算負(fù)擔(dān)，通過智能算法在渲染過程中篩選出對(duì)畫面影響有限的物體。 早期階段，Culling的精度更高，主要在光柵化前后和像素著色前的時(shí)機(jī)起作用，由GPU自主執(zhí)行，策略多樣，從場(chǎng)景分塊到物體、三角形乃至像素級(jí)別的細(xì)節(jié)考量。

在數(shù)據(jù)導(dǎo)向設(shè)計(jì)(DOP)的趨勢(shì)中，場(chǎng)景組織采用線性數(shù)組和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（SoA），如SceneGraph和Octree/Quadtree結(jié)構(gòu)，它們?cè)贑ulling策略中扮演著重要角色。 例如，F(xiàn)rustum Culling通過評(píng)估物體與視錐體的交集，只渲染可見區(qū)域，適用于各種幾何體的高效處理，時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。

Distance Culling則針對(duì)距離閾值，對(duì)遠(yuǎn)處物體進(jìn)行剔除，適合處理大面積和過度渲染的場(chǎng)景。 Screen Size Culling則基于屏幕投影面積，快速處理小物體，與Distance Culling結(jié)合使用，進(jìn)一步優(yōu)化效率。

PVS（Potentially Visible Set）是離線計(jì)算的高級(jí)剔除方法，通過劃分場(chǎng)景并存儲(chǔ)網(wǎng)格可見性，提供近乎實(shí)時(shí)的查詢，但內(nèi)存消耗大。 為了優(yōu)化PVS，可以調(diào)整網(wǎng)格劃分策略，減少不必要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，例如針對(duì)地形和可達(dá)區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)篩選。

Hi-Z Culling采用兩步剔除，結(jié)合Hi-Z map進(jìn)行深度處理，減少GPU與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸，但應(yīng)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景時(shí)可能存在問題。 相比之下，Software Occlusion Culling (SOC)在CPU上進(jìn)行深度對(duì)比，提供了更佳性能，而Hardware Occlusion Culling (HOC)盡管在GPU上執(zhí)行，但效率較低，使用較少。

Portal Culling，類似于Frustum Culling，通過場(chǎng)景中的孔洞進(jìn)行視錐裁剪，適用于室內(nèi)或室內(nèi)外場(chǎng)景過渡，但不適用于開闊的野外環(huán)境。 在物體層面，Mesh Cluster Culling將Mesh分解為簇，結(jié)合Backface Culling等算法，可以進(jìn)一步細(xì)化Culling策略，如逐三角形Screen Size Culling和Cone加速計(jì)算。

硬件級(jí)的Viewport Culling和軟件中的Pre-Z剔除Alpha Test密集區(qū)域，都在客戶端層面為優(yōu)化性能做出了貢獻(xiàn)。 然而，接下來的討論將轉(zhuǎn)向游戲服務(wù)器和同步基礎(chǔ)技術(shù)，深入剖析這些技術(shù)如何在實(shí)際游戲運(yùn)行中發(fā)揮作用。

通過這些精心設(shè)計(jì)的剔除策略，大世界的復(fù)雜度得以有效控制，為玩家?guī)砹鲿车囊曈X體驗(yàn)，展現(xiàn)出技術(shù)與藝術(shù)的完美融合。

經(jīng)常聽說顯卡的加速，這個(gè)加速到底是什么概念？

入門篇 ---- 圖形加速 之 圖形首先，我們先來咬文嚼字：圖形加速卡。 就是用來加速圖形處理的一張擴(kuò)展卡。 所謂的圖形處理是什么呢？純文本時(shí)代的電腦，那一行一行的命令和文字，不叫圖形處理。 :-P 圖形和文本是電腦輸出給人們“看”的兩樣?xùn)|西。 一、文本，被遺忘的時(shí)代真正的文本處理呢，很不幸在 DOS 之后已經(jīng)被完全淘汰了。 所以沒有什么“文本加速卡”之流的東西，是因?yàn)楝F(xiàn)在的顯卡，即使完全沒有文本處理的功能，也能在 Windows 下正常的工作。 到這里，也許有人要問了：Windows 里的文字，不是“文本”嗎？答案是：對(duì)你來說，它是。 可是對(duì)電腦來說，它就不是文本了。 Windows 里的文本，也是圖形。 那些文字是被 Windows “畫”出來的。 打開控制面板里的“字體”，你看到了什么？種類繁多的字體是吧。 這些都不是存放在顯卡里的，而是在硬盤上。 當(dāng) Windows 接收到在窗口上打印一行字的命令的時(shí)候，它會(huì)調(diào)度“畫”字程序，從硬盤里讀出字體，然后畫到屏幕上來。 現(xiàn)在就明了了：Windows 的界面是完全基于圖形的。 所以圖形加速卡對(duì)于 Windows 來說是十分重要的。 好了，現(xiàn)在，讓我們忘掉“文本”吧！ -_- 二、圖形的定義，像素及其他再來看圖形的定義。 圖形在 電腦里有兩種截然不同的定義。 第一種叫 光柵圖形(Raster Graphics)，第二種叫 矢量圖形(Vector Graphics)。 所謂的“光柵圖形”，每個(gè)電腦玩家都有廣泛的接觸。 你現(xiàn)在打開 Windows 的“畫筆”程序，隨便畫幾個(gè)圓，幾條線，圖幾塊色，然后把你得圖放大 8 倍(這個(gè)不用我指導(dǎo)你做吧？！) 你看到了什么？是不是由一個(gè)一個(gè)的小方塊組成了你的圖形？每一個(gè)小方塊，被稱作一個(gè)像素“Pixel”。 也就是說，你的圖形是有小小的像素們組成的。 盯著一個(gè)像素，你發(fā)現(xiàn)了什么？對(duì)了！一個(gè)像素只有一種顏色！( #%@#%^@)。 而懂一點(diǎn)色彩學(xué)的人，都應(yīng)該知道，光是由 紅(Red) 綠(Green) 和 藍(lán)(Blue) 三種基色以任意比例組合而成的。 這圖形里的一個(gè)像素，也是由 紅，綠 和 藍(lán) 組成的。 在最為廣泛的電腦圖形之中，每一個(gè)原色，由 八個(gè) 0 或 1 的二進(jìn)制數(shù)，也就是 8 位組成，也就是每種顏色的表現(xiàn)能力為 2^8 = 256 種，稱之為“色階”。 學(xué)過統(tǒng)計(jì)嗎？每個(gè)原色 256 種色階，那么 R/G/B 三種原色的表現(xiàn)能力為多少種顏色？……… :blink: 你在翻高中數(shù)學(xué)書？咳，算了，還是我告訴你吧。 要把它們乘起來。 結(jié)果是 256 x 256 x 256 = …. 種。 哇？！這么多？好，讓我們用電腦習(xí)慣的千進(jìn)制來吧它分開：16,777,216 = 16M。 這就是人們常說的什么 16兆色啦，真彩色啦等等。 這里來一點(diǎn)插曲。 如果一種染色占 8 位的話，那么 R/G/B 總共占 8 + 8 + 8 = 24 位。 可是 24 位對(duì)現(xiàn)在的 32 位的電腦系統(tǒng)來說，是一個(gè)很不舒服的長(zhǎng)度。 應(yīng)為 24 位對(duì)于電腦一次處理的 32 位來說，太小，可是一次處理兩個(gè) 24 位，又超出了 32 位的處理能力。 怎么辦？只能在 24 位的顏色后面，再補(bǔ)上 8 位的空數(shù)據(jù)。 這樣一來，一個(gè)像素的顏色將占用 32 位，正好和 32 位系統(tǒng)的處理能力相應(yīng)。 這樣處理起來就舒服多了。 “空數(shù)據(jù)？你的意思是說每一個(gè)像素要浪費(fèi) 8 位數(shù)據(jù)？”答案并不是肯定的。 最后的 8 位雖然在圖形的顯示上沒有作用，可是由于這里多了 8 位，人們總要想辦法充分利用現(xiàn)有的資源的。 所以另一個(gè)概念被加入到了像素里：透明度。 也就是大家耳渲目染的像素Alpha 值。 用原本沒用的 8 位來保存 Alpha，不錯(cuò)的創(chuàng)意吧。 這樣，我們就可以根據(jù)像素的透明度，來把一個(gè)像素和另一個(gè)像素混合，做出重疊的效果。 這就人傳說中的 Alpha 混合 特效 呵呵。 挺簡(jiǎn)單的吧。 到這里，我們用比較專業(yè)的格式來表達(dá)一下最常用的像素：R8G8B8A8。 哇，什么？好，拆開看：R8, G8, B8, A8 也就是 紅 8 位，綠 8 位，藍(lán) 8 位，透明度 8 位。 用來唬人蠻不錯(cuò)的啊~ :P 光柵圖形就介紹到這里的。 接下來該另一個(gè)英雄登場(chǎng)：矢量圖形。 別小看了它，現(xiàn)在的 3D 圖像基礎(chǔ)可是有很大一部分是基于它的。 光柵圖形是一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)，而矢量圖形是什么呢？其實(shí)也是一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)，不過還有數(shù)學(xué)公式。 這樣講：如果說光柵圖形是告訴電腦在每個(gè)點(diǎn)畫什么顏色的話，那么矢量圖形就是教給電腦該怎么樣畫一個(gè)圖形。 比如一個(gè)圓。 如果用光柵圖形來表示，那么就要有一大堆的像素，來描速在圓所在的區(qū)域里，每個(gè)點(diǎn)的顏色。 而用矢量圖形來表示：它是一個(gè)圓，圓的圓心，圓的半徑(可能還有圓的顏色)。 就這么簡(jiǎn)單。 在電腦畫這兩張圖的時(shí)候，做的就是截然不同的工作了。 畫光柵圖的時(shí)候，電腦把所有的像素?cái)?shù)據(jù)讀出來，然后原模原樣的 Copy 到顯示緩存，這樣我們就在屏幕上看到這個(gè)圓了。 而畫矢量的圓，完全不同了：首先，電腦要確定圓的圓心，半徑，然后找到這個(gè)圓將落在屏幕的哪一片區(qū)域。 這個(gè)很重要的一步，叫做 設(shè)定(Setup)。 找到了圓所在的屏幕區(qū)域之后，就可以用指定的顏色來填充這個(gè)區(qū)域了。 這一步叫 光柵化(Rasterize)。 圓所在的區(qū)域被填充了出來，我們就自然而然的看到這個(gè)圓了。 B) 這個(gè)呢，就是電腦圖形的初步基礎(chǔ)。 要牢記 光柵圖形，矢量圖形的定義，以及矢量圖形的畫法。 籠統(tǒng)地說有兩步，就是 設(shè)定 和 光柵化。 這在以后的 3D 圖形知識(shí)部分很重要。 原理篇 ---- 圖形加速 之 加速很久以前，繪圖工作全部是由我們偉大而神圣的 CPU 來完成的，那時(shí)候的顯卡，就是真正意義上用來“顯示東西的卡”。 它的工作就是把 CPU 處理好的數(shù)據(jù)“搬”到顯示器上來。 那時(shí)候 CPU 的工作可真是辛苦。 現(xiàn)在好了，CPU 越來越快，可是做的工作卻越來越少了。 我先來說說圖形加速的幾個(gè)階段。 2D 圖像加速，Windows 加速 和 3D 圖像加速。 :rolleyes: 一、簡(jiǎn)單死板的 2D 加速2D 加速，是早就有的產(chǎn)物了。 它的作用是用 顯示芯片 來代替 CPU，整塊整塊的移動(dòng)顯存里的數(shù)據(jù)。 比如，你要移動(dòng)一個(gè)窗口，在沒有 2D 加速的時(shí)代，CPU 所作的工作：1、找到窗口在顯存中的地址，2、把一行數(shù)據(jù)拷貝到目的地址，3、重復(fù) 2 直到拷貝完所有的行。 完成。 這樣一來，當(dāng)窗口很大的時(shí)候，CPU 要處理的數(shù)據(jù)量就會(huì)成倍的增長(zhǎng)，導(dǎo)致窗口的移動(dòng)比蝸牛爬還慢…. 想體驗(yàn)一下嗎？好，進(jìn)入設(shè)備管理器，把你的顯卡驅(qū)動(dòng)刪掉，然后重起…. 好好享受啊！呵呵有了 2D 加速呢，CPU 所做的事，減輕了很多，不過還是要指導(dǎo) 顯示芯片 來干這搬運(yùn)工的活。 CPU 的工作：1、找到窗口在顯存中的地址，2、給 顯卡發(fā)送 “拷貝這一行到目的地”的命令。 3、重復(fù) 2 直到拷貝完所有的行。 初看起來好像和沒有加速以前差不多，可是第 2 步就是關(guān)鍵所在哦。 現(xiàn)在讓我們把第二步分解來看：沒有 2D 加速：1、讀 32 Bit 數(shù)據(jù)(入門篇里的哦！)，把這 32 Bit 數(shù)據(jù)寫入目的地。 2、重復(fù) 1 直到一行所有的像素被處理完。 而有了 2D 加速后的工作只有：1、發(fā)送命令讓顯卡去拷貝這一行。 這樣看來，2D 加速確實(shí)能很大程度的釋放 CPU 的負(fù)擔(dān)。 所以大家現(xiàn)在隨便提起一個(gè)窗口移動(dòng)一下，很平滑不是嗎？顯卡負(fù)責(zé)了窗口的移動(dòng)。 二、詭異的 Windows 加速Windows 對(duì)于每位 PC 程序員來說，都可以用“詭異”二字來形容。 Windows 有太多專有的東西，以至于顯卡也要為 Windows 本身制定一套加速計(jì)劃。 擁有全部的 Windows 加速功能的顯卡幾乎沒有，而且現(xiàn)在的 CPU 的速度足以彌補(bǔ) Windows 沒有全部硬件加速的缺陷。 總的來說，包括 鼠標(biāo)光標(biāo)的加速，圖標(biāo)的加速 和 特別的窗口加速等等。 鼠標(biāo)加速就是用顯卡的硬件來處理 Windows 的鼠標(biāo)光標(biāo)。 大家現(xiàn)在看到的鼠標(biāo)光標(biāo) 和桌面上的其他內(nèi)容其實(shí)不屬于同一個(gè)層。 是畫在顯卡單獨(dú)劃分出來的“頂層”里的。 具體的內(nèi)容也就不用太詳細(xì)的介紹的，總之我告訴大家一個(gè)辨別的方法。 打開一個(gè)動(dòng)畫窗口，也就是內(nèi)容一直在變動(dòng)的窗口，然后把鼠標(biāo)光標(biāo)移動(dòng)上去。 如果光標(biāo)不斷的閃動(dòng)，那么顯卡沒有給鼠標(biāo)光標(biāo)加速。 反之如果鼠標(biāo)光標(biāo)紋絲不動(dòng)，那么顯卡給鼠標(biāo)光標(biāo)加速了。 圖標(biāo)的加速，就是顯卡來畫 Windows 圖標(biāo)的功能。 這個(gè)功能真是少只又少，不過對(duì)于目前 Windows xp 慣用的 32Bit 透明圖表，現(xiàn)代的圖形加速卡能起到一定程度的加速功能。 特別的窗口加速：窗口加速不是用 2D 加速功能來處理嗎？有什么特別的？當(dāng)然有。 移動(dòng)一個(gè)窗口，嘿嘿，現(xiàn)在你知道電腦在做什么。 可是，當(dāng)一個(gè)頂端窗口擋在你移動(dòng)的窗口上面的時(shí)候，也就是一個(gè)“總在最前面”的窗口(Windows 定的稱呼) 擋在桌面，而你在它的下面移動(dòng)一個(gè)窗口….. 怎么樣，解釋不了了吧！？ 這個(gè)時(shí)候，Windows 要做的事就稍有不同了。 它首先找到窗口露在外面的部分，然后這樣把整個(gè)窗口分割成一個(gè)一個(gè)的小塊，再一個(gè)一個(gè)移動(dòng)它們到目標(biāo)位置。 是不是比較麻煩？而如果用有 Windows 加速功能的顯卡來做，顯卡自己就可以處理這一切了。 Windows加速就講這么一點(diǎn)吧，因?yàn)樗嫶罅耍叶紱]有全部弄清楚。 那么接下來，該我們的主角出場(chǎng)了 ------ :charles: 三、復(fù)雜龐大的 3D 加速人人都喜歡渲染 3D 動(dòng)畫(一看就頭暈的除外)。 看到虛擬的主角在屏幕上跳來跳去，殺來殺去，拯救世界，誰不激動(dòng)啊！說起 3D 加速，由于它太復(fù)雜了，我準(zhǔn)備分 5 個(gè)部分來講，涵蓋從簡(jiǎn)到繁，從過去到未來的 3D 加速基礎(chǔ)知識(shí)，好讓大家能多了解一點(diǎn)我們默默無聞的 3D 加速卡們的工作。 3.1: 彩色三角形世界就是這樣開始的。 人們想到了用三角形來表示 3D 的物體。 其實(shí)很簡(jiǎn)單，學(xué)過高中幾何的同學(xué)都知道，三點(diǎn)確定一個(gè)平面。 所以三角形永遠(yuǎn)都是平面的。 這樣一來，復(fù)雜的曲面物體被近似的用小的平面來表示，在繪畫上面會(huì)方便很多。 來看畫一個(gè)三角形的過程：前面的文章我已經(jīng)講了繪制矢量圖的過程。 其實(shí)一個(gè)三角形也相當(dāng)于一個(gè)矢量圖。 它由三個(gè)頂點(diǎn)組成。 而繪制的過程一樣有兩步：1、找到三角形將會(huì)坐落在屏幕的哪個(gè)地方。 2、用顏色填充這個(gè)地方。 也就是我提到的 設(shè)定(Setup) 和 光柵化(Rasterize) 的過程。 而由于對(duì)象是三角形，我們給這兩個(gè)過程另起名字叫做：三角形設(shè)定(Triangle Setup) 和 三角形光柵化(Triangle Rasterize) 過程。 呵呵，有點(diǎn)兒現(xiàn)代圖形學(xué)的意思了吧！一開始的 3D 圖形，只有顏色，沒有現(xiàn)在人們所說的貼圖啦，紋理啦等等，所以生成的圖像都是光突突的感覺。 那個(gè)時(shí)候根本還沒有出現(xiàn) 3D 游戲的概念，而專業(yè)人士是不會(huì)在乎這些的……3.2: 貼圖？皮膚… + 顏色混合人們顯然不會(huì)滿足永遠(yuǎn)看著光禿禿的三角形組成的東西在屏幕上亂跳。 于是慢慢的有人想到：我們給三角形貼上紋理貼紙?jiān)趺礃樱空f起紋理，看看你家里的家具，它們表面的木紋啦什么的，還真的和三角形用的紋理貼圖有點(diǎn)相似之處呢！紋理貼圖在 3D 圖形領(lǐng)域所扮演的角色，和現(xiàn)實(shí)家居里的墻紙，貼紙確實(shí)功能差不多。 而當(dāng)時(shí)在紋理貼圖發(fā)明的初始時(shí)間，還有人強(qiáng)烈的反對(duì)它呢！有人認(rèn)為紋理貼圖是沒有用的東西，以至于那段時(shí)間有公司竟然出品過不支持紋理貼圖的顯卡(沒有 TMU 的顯卡，你能想象的出來嗎？公司的名字我忘了)！不過紋理貼圖還是顯示出了它強(qiáng)大的魅力。 現(xiàn)在的 3D 圖形技術(shù)里，紋理貼圖也算是單獨(dú)的一門學(xué)問了。 有人會(huì)問，紋理貼圖怎么貼到三角形上去的？這個(gè)過程的解釋比較復(fù)雜，你可以試著想象：紋理貼圖需要坐標(biāo)來指定，就像你在剛剛做好的桌子上畫上定點(diǎn)，讓貼紙對(duì)齊定點(diǎn)貼上去一樣。 也就是說，每個(gè)三角形的頂點(diǎn)都包含有貼圖坐標(biāo)，這樣處理的時(shí)候就能按照貼圖坐標(biāo)把紋理貼圖貼在對(duì)應(yīng)的位置。 怎么貼？！我還沒有講？哦，對(duì)啊，呵呵，怎么貼呢？是這樣的：在三角形設(shè)定的階段，貼圖坐標(biāo)也被應(yīng)用到了每一個(gè)像素上。 具體的說，知道了頂點(diǎn)的貼圖坐標(biāo)，那么三角形內(nèi)任一一個(gè)點(diǎn)的貼圖坐標(biāo)也應(yīng)該能計(jì)算出來吧？！對(duì)了，是插值。 利用插值，我們可以得出要畫的三角形所在像素的每一個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的貼圖坐標(biāo)，不是嗎？有了這個(gè)貼圖坐標(biāo)，就簡(jiǎn)單多了。 我們利用坐標(biāo)，到貼圖里去取對(duì)應(yīng)坐標(biāo)顏色來，不就把圖貼上來了嗎？呵呵，這段有點(diǎn)繞，也怪我的文字表達(dá)能力欠佳，大家仔細(xì)多看幾遍吧，不好意思啊！還有，伴隨著紋理貼圖而來的顏色混合，也應(yīng)該歸到這一節(jié)。 顏色混合…. 我知道！不就是用像素的 Alpha 值來把兩個(gè)像素運(yùn)算混合成為一個(gè)像素嗎？對(duì)了！不過顏色的混合不是僅限于 Alpha 混合。 還有很多種混合方式。 比如把三角形像素的顏色 和 屏幕上原有像素的顏色 加起來，這樣看起來，三角形所在的地方像是被“加亮”了一樣。 游戲中的火焰啦，光環(huán)啦，等等，就是用了加法來完成的。 同樣，把兩個(gè)像素的顏色相減、相乘 或 相除 也未嘗不可，這一切就是 – 顏色混合。 正因?yàn)橛辛祟伾旌希鞣N酷炫的游戲特效才能實(shí)現(xiàn)。 3.3: 顯卡的革命上面所說的功能，人們?cè)缇桶阉鼈冏龅揭恍╋@卡芯片里了。 這樣一來，這些所有的工作，都被從 CPU 里解放了出來。 好啊！可是 CPU 還是不知足：I want more freedom! 人們想盡方法把 CPU 的負(fù)擔(dān)減輕。 所以，最后，就連 三角形設(shè)定，三角形光柵化 過程之前的 潘多拉盒，也被解放了出來。 這就是：幾何變換 和 光照運(yùn)算(Transform & Lighting, T&L)。 說到這里，就不得不講一下這兩個(gè)純數(shù)學(xué)的過程。 幾何變換：大家都知道，我們?cè)谄聊簧峡吹降?3D 圖形，是以某一個(gè)視點(diǎn)為觀察點(diǎn)繪制的。 這是怎么完成的？還有，3D 物體如何在整個(gè)場(chǎng)景里移動(dòng)？這就牽扯到了圖形處理之前的話題：3D 空間幾何。 每一個(gè) 3D 物體都有一個(gè)說明其位置，方向的數(shù)據(jù)陣列，我們把它叫做 矩陣(Matrix)。 這個(gè)矩陣儲(chǔ)存了物體在場(chǎng)景里的位置，旋轉(zhuǎn)方向，縮放大小等等的信息。 所以在物體移動(dòng)的時(shí)候，我們不細(xì)要更改所有三角形的位置，僅僅修改 矩陣 里的信息，整個(gè)物體就一動(dòng)了。 而 矩陣的應(yīng)用不僅如此。 最后要把整個(gè)場(chǎng)景變換成一攝像機(jī)為中心的 3D 空間，這個(gè)過程也和 矩陣有關(guān)。 光照，另一個(gè)數(shù)學(xué)過程，就是用來通過三角形的頂點(diǎn)相對(duì)于場(chǎng)景中光源的位置，距離，夾角等等來計(jì)算這個(gè)三角形接受到光照的強(qiáng)度的過程。 以前，這兩個(gè)純數(shù)學(xué)的過程，需要 CPU 來完成。 CPU 計(jì)算完所有的三角形數(shù)據(jù)后，把這些數(shù)據(jù)發(fā)送給顯卡進(jìn)行 設(shè)定 和 光柵化的過程。 可是后來，人們發(fā)現(xiàn)，這些運(yùn)算是如此的死板，以至于可以把它也集成到 顯示芯片里來做！這就是硬件幾何變換的由來。 所以，到此，CPU 需要做的已經(jīng)沒有什么了。 修改一下物體的 矩陣，設(shè)置好需要的參數(shù)，然后給 顯示芯片 發(fā)送命令：畫吧！剩下的全不用操心……3.4: 新 CPU 的誕生：GPU那么到此顯示芯片就可以稱作 Graphics Processing Unit 了嗎？nVidia 是這么說的，可是作為一個(gè)真正的處理器，沒有可編程性的話，也是殘缺的。 在用膩了顯卡設(shè)好的層層套套之后，程序員們大聲疾呼：還我自由！他們迫切需要一種打破現(xiàn)在硬件死板功能的設(shè)計(jì)。 因?yàn)橐磺卸加捎布瓿闪耍造`活性完全喪失了。 顯示芯片只能按照電路設(shè)計(jì)來處理三角形，成了一個(gè)呆板的“三角形處理機(jī)”。 這個(gè)時(shí)候人們開始反省了，人們覺得給程序員最大的自由度讓他們發(fā)揮才是寫好的 3D 程序的關(guān)鍵。 所以 – 可編程圖形芯片 被設(shè)計(jì)了出來。 這種芯片和以前的 T&L 芯片的最大不同之處在于：它的所有行為都是可以被編成的。 使得它的功能被提升到了無限的高度。 反過來想想，當(dāng)時(shí)沒有硬件 3D 加速的時(shí)候，一切都是 CPU 完成的，雖然慢，但是很靈活。 然后，全部硬件化了，靈活性也一降再降。 到最后，可編程圖形芯片 把速度和靈活性一起實(shí)現(xiàn)了。 這時(shí)程序員所做的事，似乎回到了原始時(shí)代：自己寫程序?qū)θ切巫?光照，辦換，和光柵化。 不過這又怎樣呢？他們喜歡自由！一切都很好，我們很高興的說：這才是我想要的。 很滿足不是嗎？可是事實(shí)并不像你想象的那樣完美，上帝愛捉弄人……..3.5: 真理？謬論？發(fā)展了這么多年，光柵化的 3D 圖形可以說是技術(shù)很成熟了。 不過它所生成的圖形，好像永遠(yuǎn)都不那么真實(shí)。 即使人們盡再大的努力，它的畫面始終還是動(dòng)畫，和人們心目中的“電影級(jí)別的畫質(zhì)”總是差那么一點(diǎn)……究竟哪里錯(cuò)了？與此同時(shí)，3D 圖形學(xué)的另一門分支：光線追蹤圖形學(xué)(Ray-Tracing) 也在快速的發(fā)展著。 光線追蹤圖形學(xué) 與 光柵化圖形學(xué) 是建立在完全不同的理論基礎(chǔ)上的，它們的研究成果也是格格不入。 而 光線追蹤圖形學(xué) 的理論基礎(chǔ)是以眼睛為出發(fā)點(diǎn)，追蹤每一條光線，精確的計(jì)算這些光線經(jīng)過反射、折射和散射等等隨后的顏色。 這門學(xué)問由于原理及其復(fù)雜，所以研究的人力物力都比光柵化圖形學(xué)要少，以至于到現(xiàn)在它的優(yōu)勢(shì)剛剛慢慢顯現(xiàn)出來。 而它真正的投入到民用、實(shí)時(shí)處理的階段，恐怕還要十年左右的發(fā)展。 而如果它成功了，現(xiàn)在一切的 光柵化圖形學(xué) 理論，就會(huì)被全部推翻。

光柵化全面解析

光柵化與光線追蹤，是渲染技術(shù)中的雙劍，各自解決屏幕空間中的視覺呈現(xiàn)。 光柵化猶如像素級(jí)魔術(shù)師，通過透視投影，將3D模型分解為二維屏幕上的色彩拼圖。 它的核心在于通過循環(huán)遍歷像素，逐個(gè)檢查與場(chǎng)景中物體的交點(diǎn)，填充每個(gè)像素的顏色，確保可見性（光柵化解決可見性：通過像素級(jí)射線追蹤，計(jì)算與攝像機(jī)交點(diǎn)的最近物體）。

相比之下，光線追蹤則是更細(xì)致的追蹤過程，從每個(gè)像素出發(fā)，追蹤光線與場(chǎng)景的交互，取交點(diǎn)的詳細(xì)信息來決定像素顏色，即使可能與多個(gè)物體產(chǎn)生交點(diǎn)（光線追蹤：追蹤光線與場(chǎng)景物體交點(diǎn)，設(shè)置像素顏色）。 光柵化則先遍歷場(chǎng)景的幾何形狀，然后才是像素層面的處理。

在算法上，光柵化簡(jiǎn)化為：頂點(diǎn)投射到屏幕，像素逐個(gè)檢查在三角形內(nèi)的歸屬，填充顏色（光柵化：投射三角形到屏幕，用透視投影，測(cè)試像素在2D三角形內(nèi)填充顏色）。 而光線追蹤則反之，從像素開始，計(jì)算與物體的交互。

在實(shí)際應(yīng)用中，光柵化占據(jù)渲染時(shí)間的大部分，尤其是在早期圖形游戲中。 雖然現(xiàn)代API通常自動(dòng)處理這些細(xì)節(jié)，理解其工作原理對(duì)于性能優(yōu)化和藝術(shù)效果至關(guān)重要。 光柵化過程涉及幀緩沖區(qū)的管理，通過深度緩沖（如Z-buffer）來確定遮擋和層次關(guān)系，確保圖像的正確呈現(xiàn)。

深度緩沖是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它存儲(chǔ)每個(gè)像素的深度值，通過比較新繪制的片段與當(dāng)前深度，決定最終顏色，減少了對(duì)幾何體深度排序的需求。 然而，這也有其挑戰(zhàn)，如內(nèi)存消耗和精度問題，需要權(quán)衡性能與視覺質(zhì)量。

GPU使用高效算法，如壓縮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，加速深度測(cè)試和減少過度繪制，提高渲染效率。 現(xiàn)代GPU的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在處理3D應(yīng)用，尤其是生成清晰無鋸齒的圖像。

計(jì)算片段深度是通過屏幕空間的仿射映射，找到與視線相交點(diǎn)的深度值，這涉及到復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如前向差分。 同時(shí)，視圖空間的深度緩沖可能會(huì)導(dǎo)致精度問題，需要額外的緩沖策略來解決。

紋理處理是光柵化中的另一個(gè)重要部分，從紋理坐標(biāo)映射到屏幕，通過紋理過濾（如雙線性）確保顏色連續(xù)，減少鋸齒。 Mipmapping則通過預(yù)計(jì)算紋理的多級(jí)細(xì)節(jié)，提供更平滑的視覺效果，是現(xiàn)代圖形引擎的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐。

理解光柵化的紋理處理，包括紋理坐標(biāo)的處理，如逐頂點(diǎn)屬性和紋理坐標(biāo)插值，對(duì)于創(chuàng)建真實(shí)感的圖像至關(guān)重要。 從仿射與投影的差異、紋理扭曲，到早期游戲的近似處理，現(xiàn)代技術(shù)如逐頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)生成，都在不斷演進(jìn)。

最終，光柵化是圖形渲染技術(shù)的基石，盡管看似復(fù)雜，但理解它的原理和優(yōu)化策略，對(duì)于游戲開發(fā)者和圖形設(shè)計(jì)者來說，都是提高作品質(zhì)量的關(guān)鍵。 通過掌握這些核心概念，可以更好地利用現(xiàn)代硬件，創(chuàng)造令人驚嘆的視覺效果。

OIT算法學(xué)習(xí)筆記+Hybrid Transparency

在光柵化圖形渲染的世界里，Order-independent Transparency (OIT)如同一抹亮色，革新了透明度處理的方式。 它摒棄了傳統(tǒng)排序的繁瑣，特別是對(duì)于自相交和循環(huán)遮擋物體的渲染，顯著提升了性能，為復(fù)雜場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染提供了可能。 讓我們深入了解幾種常見的OIT算法：A-buffers和Multi-Layer Alpha Blending。 A-buffers通過累加buffer儲(chǔ)存覆蓋信息，每個(gè)像素記錄層層覆蓋的片段，優(yōu)化透明度渲染，然而，對(duì)于穿插物體處理存在局限，且對(duì)內(nèi)存空間的需求較大。 而另一種策略將子像素劃分為具有Z梯度的片斷，每個(gè)片斷存儲(chǔ)的是m位的coverage mask，雖然內(nèi)存效率高，但合并時(shí)可能犧牲部分信息。 Muti-Layer Alpha Blending則試圖解決A-buffer的局限，通過分組混合來控制數(shù)據(jù)量，但它在處理新片斷插入時(shí)的混合優(yōu)化上仍有挑戰(zhàn)。 核心思想在于合并深度相近的fragment，如K-buffer，它采用一次pass實(shí)現(xiàn)多pass效果，如深度剝離，通過逐層渲染和排序表面，雙向深度剝離則進(jìn)一步減少了渲染步驟。 自適應(yīng)透明度和隨機(jī)透明度的引入，讓算法更加靈活。 自適應(yīng)透明度在內(nèi)存滿時(shí)移除貢獻(xiàn)小的片段，而隨機(jī)透明度在多采樣紋理中表現(xiàn)出色，但樣本點(diǎn)少時(shí)可能會(huì)引入噪聲。 Weighted Averaging算法優(yōu)化了這一過程，降至兩步，但在高alpha值時(shí)可能出現(xiàn)明顯誤差。 Nvidia的Dual Depth Peeling對(duì)Weighted Sum進(jìn)行了優(yōu)化，通過前后處理消除視覺誤差，尤其在高alpha值場(chǎng)景下。 Hybrid Transparency (HT)，作為OIT的革新，將透明物體劃分為關(guān)鍵核心層和影響較小的附加層，核心層的精確顏色計(jì)算與尾部層的快速估計(jì)相結(jié)合，充分利用有限存儲(chǔ)空間，尤其適合高分辨率場(chǎng)景，視覺效果出色且無明顯錯(cuò)誤。 尾部分類與Transmittance Function密切相關(guān)，通過核心層的A-buffer截?cái)嗪臀膊繉拥腤eighted Alpha Average計(jì)算，形成最終的混合顏色。 整個(gè)HT方法包括兩個(gè)幾何pass：一個(gè)收集前k個(gè)片段，形成k-TAB，現(xiàn)代GPU支持高效操作；另一個(gè)生成逐像素可見性函數(shù)。 片斷著色后，根據(jù)深度轉(zhuǎn)發(fā)至核心層或尾部處理，存儲(chǔ)在相應(yīng)的color buffer中。 最后，這些color buffer與背景進(jìn)行融合，展現(xiàn)出了A-buffer、Z3抗鋸齒、多層alpha混合、k-Buffer、雙深度剝除、排序無關(guān)alpha融合和加權(quán)融合透明等關(guān)鍵技術(shù)的巧妙運(yùn)用。 OIT算法的革新，不僅提升了性能，也為我們理解和應(yīng)用光柵化圖形渲染帶來了全新的視角。 這些算法的不斷優(yōu)化，正在推動(dòng)圖形渲染技術(shù)的邊界，為未來的圖形應(yīng)用開辟無限可能。

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相關(guān)標(biāo)簽： 從向量到位圖的轉(zhuǎn)型、 光柵化過程、 探索光柵化的世界、

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