電腦圖形學三種渲染（繪製）技術，rendering technology

電腦圖形學中對於一個真實三維物體的表示有很多方式，比如點雲，mesh，體素，曲線等；這也影響了在繪製三維物體時對繪製基元的選擇，下面是本人總結的一些繪製技術的分類，希望對大家有所協助。

真實感圖形演算法研究 渲染出真實映像的三個要素：

1.      精確的幾何模型

2.      精緻的紋理貼圖

3.      合理真實的光照   光照和陰影

局部光照模型早期的光照模型是基於經驗的，它只能反映光源直接照射的情況，這種光照模型為局部光照模型；

局部光照模型需要考慮的因素：環境光線，漫反射，高光與鏡面反射，光的衰減，

產生顏色（RGB），多光源，硬陰影，軟陰影，體積陰影

陰影分為動態陰影演算法和靜態陰影演算法（區別在於光源是否運動）

陰影產生技術，目前普遍採用的一般有三種：Planar Shadow、Shadow Mapping和Shadow Volume，前者類似投影，計算最簡單，缺點只能繪製拋射在平面上的陰影；Shadow mapping利用站在光源處所沿光源法線看去所產生的深度圖來檢測情境中的體象素是否處於陰影中，缺點是光源與物體位置相對固定、且在極端情況下計算精度差，不太適合精確到象素的動態光陰場合；Shadow Volume是目前最適合精確表現動態光陰情境的技術，適用性最廣，其典型的適用範例便是Doom 3，不足在於陰影體積引入了額外的頂點和面，加大了儲存和處理強度，同時渲染出的陰影比較硬，如果要實現軟陰影，仍需其他技術配合

全域光照模型比較精確，它通過類比物體之間光照的相互作用，以求達到令人滿意的光照效果。

全域光照模型入射光的構成：光源直接照射，其他物體的反射光，透射光。

紋理貼圖 紋理貼圖是指將2D紋理或資料賦值到3D物體的過程，其原理是改變光照方程中的參數值來實現改變物體外貌的目的。

單個紋理的一般紋理管線：
常用的投影函數有：球形投影，圓柱形投影，平面投影，自然投影 

紋理貼圖的方法：

l  alpha貼圖：來實現映像的透明、半透明的效果

l  光照貼圖

l  光澤貼圖：用來類比物體非均勻的表面光澤

l  環境貼圖：

l  凹凸貼圖：基本思想是通過改變表面法線，而不是使用紋理來改變光照方程中的顏色分量。

 過程性紋理主要用於類比自然界中常見的Marble，Stone，Wood，Cloud等紋理，大多數的過程紋理都是基於某類雜訊函數。

3D紋理不再是一個二維平面映像，它是一個有體積的紋理，可以看作是各種不同的立方體材料，看成幾十、幾百層的2D紋理重疊在一起，每層都是簡單的2D紋理。3D紋理中的每個點在紋理內部空間有三維的相對座標。

多通路紋理貼圖：在電腦圖形學理論中，需要對所有光照方程因子進行快速計算，同時產生一個顏色樣本。實際上，可以在不同的通路中對光照因子進行計算，每個通路對前一個結果進行修改。 基於映像的繪製技術（Image-BaseRendering,IBR）

適合即時應用場合，用映像表示一個物體的最大好處就是繪製兩與所要繪製的像素數成正比，與本身模型無關。 該技術的優缺點：

1.      基於實景映像，所構造的虛擬環境逼真度高；

2.      情境的處理時間與情境的複雜度無關，易於實現即時互動；

3.      缺乏統一的空間座標體系；

4.      難以實現任意方式的空間漫遊與互動。

具體技術：

公告板：很多特殊效果可以將映像繪製在朝向視點的多邊形表面上，這種觀察方向來確定多邊形方向的技術叫做公告板技術，其中的多邊形為公告板。

根據不同的平面法線朝向，公告板可分為幾類：

Ø  朝向視平面的公告板：

Ø  朝向視點的公告板；

Ø  軸對稱公告板。

 精靈 ： 是最簡單的IBR單元，是一幅可以在螢幕上移動的映像；如果對精靈紋理加上一個深度值，則叫做深度精靈。

 替代技術：其實也是一種公告板技術。

反走樣技術 ：圖形邊界的非連續狀態的失真現象成為走樣（鋸齒），而反走樣就是為了避免這種失真。

GPU瓶頸檢測：

Ø  光柵操作檢測

管線的終端是光柵操作，負責深度和模版緩衝的讀寫，比較和顏色緩衝的讀寫，以及alpha混合和測試。光柵化中許多的負載都加重了框架緩衝區頻寬的負擔。在測試過程中，可以通過改變顏色緩衝的位深，或深度緩衝的位深，或者都改變來檢測是否會影響到幀率。 Ø  片元著色階段 片元著色開銷可以被理解為pixel的開銷，它是一個解析度函數，可以通過改變解析度來檢測片元著色是否造成了效能瓶頸

體繪製技術（volume rendering）

可視化的對象一般是指在空間上離散的3D資料 3D空間上離散的資料之間的串連關係可以分為：  結構化資料：邏輯上組織成3D數組的空間離散資料，即這些空間離散資料的各個元素具有3D數組之間的邏輯關係，每個元素都可以有它自己所在的層號、行號和列號。

[1]     均勻結構化資料：在x，y，z三個方向上，網格點之間的距離均相等。

[2]     規則網格結構化資料：分布在長方體組成的3D網格上，即在x，y，z三個方向上，網格點之間的距離互不相等，但在同一個方向上相等。

[3]     矩陣網格結構化資料：分布在由長方體組成的3D網格點上，長方體的大小可以各不相同，無規則可循。

[4]     不規則網格結構化資料：邏輯上仍被組織成3D數組，但在空間位置上無規律可循。 非結構化資料：空間資料由一系列的單元（四面體、六面體等，曲面，曲線等）構成的，但不能組織成3D數組。  混合資料。 可視化技術可分為：面繪製（Surface rendering）和體繪製（Volume Rendering）,點繪製（point rendering）

a)        面繪製的演算法有立方塊法（Cuberille）、移動立方體法（Marching Cubes）和分解立方體法（Diving Cubes）。

基本思想：將體資料分為多張平行的二維切片資料並分別處理。

面繪製將感興趣的部分以等值面的方式抽取後，可以利用真實感技術產生高品質映像，使研究人員可以方便地進行觀察和分析。該方法每次只能顯示一個值的等值面，且需要藉助於幾何圖元表示，不能反映整體資料場中各種因素的相互關係。面繪製不能保留原有體資料的一些物理屬性，捨棄了物體內部的大量有用資訊。

b)       體繪製不需要進行幾何圖元的提取過程來恢複體資料中的物體表面，而是直接由3D體資料產生螢幕上的2D映像。該演算法能產生3D體資料的整體映像，包括每一個細節，並具有品質高、便於平行處理的優點。

體繪製將3D空間的體資料場直接轉換為2D映像而不產生中間幾何圖元。體資料場中離散的採樣點原本是不具有色彩屬性的，它的顏色值是在物質分類的基礎上人為賦予的，因此是偽彩色的。

  體繪製要實現的功能：在重採樣的基礎上，計算全部採樣點對螢幕像素的貢獻，也就是每一個像素的光強值I（intensity）。在彩色映像中，R、G、B三個分量的I值需要分別計算，為了實現這一功能，需要給出體資料的光學模型，用它來描述3D資料是如何產生、反射、阻擋以及散射光線，從而計算出全部採樣點對螢幕像素的貢獻

c)        體繪製的典型演算法：

1.        直接體繪製演算法：光線投射體繪製演算法，紋理映射體繪製演算法，拋雪球演算法，錯切-變形體繪製演算法。

2.        變換域體繪製：傅立葉體繪製演算法、壓縮域體繪製，小波域體繪製， 直接體繪製演算法都是在空間域對體資料直接採樣，變換域首先將體資料從空域變換到另外的域，例如壓縮域、頻域或小波域，然後直接在這些變換後的域中進行採樣混合。


點繪製： 點作為繪製的基本元素，通過適當測採樣，情境對象被表示成一組密集的表面採樣點，與這些點一起儲存的還有點的顏色、深度和表面法向量等資訊。根據這些點的資訊經過表面重構，產生連續表面而非離散點雲構成的真實感圖形。

工作流程：

模型---點採樣---採樣點表示、儲存-----不可見點剔除----可見點延拓----光照、紋理、陰影----表面重構----圖形

主要演算法：

²  映像空間的點繪製演算法：surfel（面元），表面足跡法（surface splatting）

²  物理空間的點繪製演算法： Qsplat使用一個樹狀層次包圍球資料結構儲存資料，樹中每個結點包含：球的位置和半徑、每點處的法向量、法錐面的寬度、顏色值。