作业 3 代码概述

前端

2023-11-28 13:03:00

软光栅渲染：揭开计算机图形学之谜

软光栅渲染是计算机图形学中的一项经典技术，它使我们能够在没有显卡支持的情况下在 CPU 上执行图形渲染。尽管现代图形已不再使用它，但它仍然是理解计算机图形学基础的一扇宝贵窗口。

顶点处理：从 OBJ 文件到屏幕

软光栅渲染器首先从 OBJ 文件中读取顶点数据。这些顶点代表了构成 3D 模型的点的坐标。然后，顶点处理器应用透视投影，将点从模型空间投影到屏幕空间。透视投影模拟了眼睛如何感知深度，使我们能够创建逼真的图像。

三角形光栅化：填充像素

接下来，光栅化器将投影后的三角形填充为屏幕上的像素。这听起来似乎很容易，但由于三角形可以具有任意形状，因此需要执行复杂的计算。光栅化器首先找到三角形的边界，然后填充内部的像素。

片段着色：赋予像素色彩

片段着色器为每个像素计算颜色。在简单的着色器中，它可能只是对三角形顶点的颜色进行插值。然而，着色器可以执行更复杂的计算，例如纹理映射和光照。

透视投影矫正：让 3D 变为 2D

透视投影是软光栅渲染的关键步骤。它使我们能够将 3D 对象投影到 2D 屏幕上，从而创建具有深度感的图像。作业 3 的代码使用齐次坐标进行透视投影，这是一种数学技巧，用于将 3D 点投影到 2D 平面。

优化：提升性能

软光栅渲染的计算成本很高。为了优化性能，作业 3 的代码使用了以下技术：

空间分区： 将屏幕划分为较小的区域，只光栅化与这些区域相交的三角形。
背面剔除： 剔除背对摄像机的三角形，减少光栅化计算量。
Z 缓冲： 存储每个像素的深度，以避免绘制隐藏在其他物体后面的像素。

代码示例：深入剖析

以下是作业 3 中三角形光栅化代码的一个片段：

for (int y = y0; y <= y1; y++) {
    for (int x = x0; x <= x1; x++) {
        float alpha = (x - x0) / (x1 - x0);
        float beta  = (y - y0) / (y1 - y0);
        float z = alpha * z1 + (1 - alpha) * z0;
        float w = alpha * w1 + (1 - alpha) * w0;
        z /= w;  // 透视插值
        if (z < zbuffer[y][x]) {
            zbuffer[y][x] = z;
            framebuffer[y][x] = color;
        }
    }
}