電腦圖形學到底講了什麼

 

        最近看了好幾本圖形學的書，都是中國人寫的，感覺講什麼的都有，不同的書講的內容都不同。於是又翻了下孫家廣的《電腦圖形學(第三版)》，又看了下圖形學聖經《電腦圖形學原理及實踐 C語言描述》的目錄，發現還是聖經涵蓋的內容廣泛，幾乎涉及了其它圖形學教材的所有內容。東西太多，看完有點亂，於是自己梳理一下，看看到底有些什麼。

        粗略的看，電腦圖形學分為兩方面內容，一是建模，二是變換，三是渲染。所謂建模，就是將一個現實中的物體或者想象出來的物體做成一個模型，使電腦能夠識別。所謂變換，就是將空間中的實體變換到螢幕上。所謂渲染，就是在螢幕上顯示出來一些情境。

1、建模
        建模方面涉及的內容相對較少，這部分主要是和數學有關。因為電腦的基礎就是數學，電腦可識別的模型也即數學模型。

        (1) 模型的表示方法

        模型表示方法有兩種，一種是用方程表示，一種是用實體造型表示。

        方程表示主要包括常見的曲線曲面方程，BEZIER曲線曲面，B樣條曲線曲面和NURBS曲線曲面。

        實體造型表示包括內容挺多，如邊界表示，空間劃分表示，等等，很多。

        總而言之，這一部分的主要任務是以某種形式將一個實體表示出來。

        (2) 多邊形網格

        以某種形式將模型表示出來後，通常在三維圖形領域，模型並沒有真正的建立起來。通用的模型是多邊形網格形式的，於是需要進行轉換。

        在上一步形成的圖形可表示出大量的點，這些點都是實體表面上的點。按照一定的順序將點串連起來，就得到實體輪廓，即多邊形網格。

        通常採用三角形網格，為此需要對點進行三角剖分。常採用delaunay三角剖分和隨機增量剖分。

         (3) 網格簡化

        形成三角網格後，網格數量如果過多，需要對模型簡化，以降低渲染的負荷。在簡化的同時還要盡量不降低渲染的效果。通常有靜態網格簡化技術，細節層次技術，漸進式網格模型表示等。

 

2、座標系變換

       (1) 觀察變換

       這一部分是將空間物體從全局座標系變換到二維視區。因為物體處於三維空間中，然而螢幕是以圖片的形式顯示的，即視區是二維的，這樣就需要這樣一個變換。包括如下三個步驟：

        觀察變換：將實體從全局座標系變換到觀察座標系。

        正常化變換：將觀察域正常化

        視區變換：完成從觀察座標繫到視區的映射。

       (2) 裁剪

       裁剪是確定圖元是否落在某一地區。視區是有限的，在視區外的圖元不需要顯示在螢幕上。裁剪是在視區變換的過程中執行。

       裁剪演算法很多，關於直線裁剪，有Cohen-Sutherland演算法、Liang-Barsky演算法，關於多邊形裁剪，有Sutherland-Hodgman演算法、Weiler-Atherton演算法。

 

3、渲染
        渲染是電腦圖形學中最龐大的部分，這部分和電腦、數學、物理等多個學科都有聯絡。

        (1) 光照和明暗處理

        這部分研究的是光源發出的光打到實體表面產生的光照效果。於是需要研究如下內容：

        光照模型。即光源是什麼樣的，發出什麼樣的光。

        明暗處理模型。即模型的表面是什麼樣的，如何反射光。陰影屬於此部分

        光線追蹤。一種計算光照效果的演算法。

        輻射度演算法。另一種計算光照效果的演算法。

        即，這部分研究的主要內容是：光源發出什麼樣的光，物體對光如何反射，以及根據光源模型和明暗處理模型而產生的類比光照效果的演算法。

        (2) 顏色模型與著色

        現實世界是繽紛多彩的，因此必須有多種顏色。顏色模型有多種，如CIE-XYZ色度圖，RGB顏色模型，CMY顏色模型，HSV顏色模型，HLS顏色模型等等。

        選用某種特定的顏色模型，對實體進行著色，是渲染的重要內容，是增加渲染效果真實性的重要組成部分。

        (3) 可見面判定

        圖形學類比的是人眼看到的世界。對於一個實體，面對著我們的一側可以被看到，而實體的背部則不在視線範圍內。不在視線範圍內的部分稱為隱藏面。

        可見面判定即確定哪些面可見，哪些面不可見。這裡演算法也比較多，涉及到Z緩衝器演算法，曲面求交演算法等等。

        (4) 紋理

         為實體添加紋理，通常採用貼圖的形式，使實體更加真實。

 

 

總結：

        其實整理的也很亂，因為圖形學涉及的東西太多太雜了，比如幾何變換，投影等等，都沒有寫在上面。

        下面是三維圖形實現流程，我想有了這樣一個流程圖，心中就有了一條比較清晰的脈絡了。

        

        關於渲染過程畫的不全，但是比較重要的內容就是這些。寫這些也就是梳理一下，想闡述下某種技術在圖形學中到底有什麼作用，僅此而已。

 

 

The End