3D Graphics: Crash Course Computer Science #27

Summary

在这个视频脚本中，Carrie Anne带领我们深入了解了3D计算机图形学的基本原理和方法。从基础的3D投影和线框渲染，到多边形的使用和网格简化算法，再到经典的扫描线填充算法和反锯齿技术，视频涵盖了3D图形渲染的多个关键技术。此外，还探讨了处理遮挡问题的画家算法和Z缓冲区技术，以及背面剔除优化和光照处理，包括平面着色、高洛德着色和冯氏着色等高级光照算法。最后，介绍了纹理映射技术，以及如何通过专用硬件如GPU进行并行处理以加速渲染过程。整个脚本以一个由数百万多边形组成的复杂场景的渲染为例，展示了3D图形的计算密集性和现代图形处理单元的能力。

Takeaways

• 📐 **二维到三维的转变**：视频中讨论了如何将3D坐标通过图形算法“压平”到2D平面上，这个过程称为3D投影。
• 🖥️ **线框渲染**：通过将3D点转换为2D点后，使用常规的2D线条绘制函数连接点，形成线框渲染。
• 🌆 **正交投影与透视投影**：介绍了两种3D投影类型，正交投影保持平行线平行，而透视投影则模拟了现实中平行线随距离收敛的效果。
• 🔶 **多边形的使用**：复杂形状通过多边形（尤其是三角形）来定义，因为三角形能以最简单的方式定义一个平面。
• 🎮 **游戏设计中的权衡**：游戏设计师需要在模型的真实度和多边形数量之间找到平衡，以保持动画的流畅性。
• 📐 **简化网格的算法**：为了处理多边形数量过多的问题，开发了简化网格的算法以减少计算量。
• 🖌️ **扫描线算法**：介绍了一种经典的填充多边形算法，通过逐行扫描并计算多边形与行的交点来填充像素。
• 🔉 **抗锯齿技术**：通过调整像素颜色的深浅来减少多边形边缘的粗糙感，使图像更加平滑。
• 🚫 **画家算法与Z缓冲区**：讨论了两种处理遮挡的方法，画家算法通过排序来绘制，而Z缓冲区则通过记录每个像素的最近距离来确定绘制顺序。
• 🔴 **背面剔除**：为了优化处理，常常忽略多边形的背面，即不在渲染管道中考虑，从而节省处理时间。
• 💡 **光照和着色**：通过考虑多边形在3D空间的方向（表面法线）和光源的位置，计算每个多边形的光照量，以增强3D效果。
• 🌈 **纹理映射**：将纹理图像映射到多边形上，通过在内存中查找纹理坐标来确定每个像素的颜色。
• ⚙️ **图形处理单元（GPU）**：介绍了GPU和它在3D图形渲染中的作用，包括它的并行处理能力和如何加速图形计算。

Q & A

什么是3D投影？

3D投影是一种将三维坐标系中的点转换到二维平面上的图形算法过程。它允许我们在2D屏幕上呈现3D对象。

线框渲染是什么？

线框渲染是一种3D图形渲染技术，它通过连接3D对象的顶点来形成线条，从而创建出3D对象的轮廓或框架。

透视投影和正交投影有什么区别？

透视投影模拟了现实世界中平行线随着距离增加而汇聚的现象，常用于模拟真实世界的视觉效果。而正交投影则保持了物体的平行边在投影中的平行性，常用于技术或工程图纸。

为什么3D图形中多边形通常使用三角形？

三角形因为其简单性而被选用。三个点在空间中可以明确无误地定义一个平面，而四个或更多点的形状则不能保证这一点。

什么是扫描线算法？

扫描线算法是一种用于填充多边形像素的经典算法。它通过逐行扫描多边形的边界，并计算出多边形与行扫描线的交点，来填充像素。

抗锯齿是什么？

抗锯齿是一种用于平滑图形边缘的技术。它通过调整像素的颜色，根据多边形覆盖每个像素的程度来决定颜色的深浅，从而减少图形的锯齿效应。

画家算法是如何工作的？

画家算法通过将场景中的多边形从最远到最近进行排序，然后按顺序逐个渲染每个多边形。这种方法类似于画家绘画时从背景到前景的顺序。

Z缓冲区是什么？

Z缓冲区是一种用于处理多边形遮挡（occlusion）的技术。它为场景中每个像素维护一个表示到最近多边形距离的值，以此来确定最终场景中哪些像素是可见的。

什么是Z-Fighting？

Z-Fighting是一种由于两个多边形具有相同距离值，导致渲染算法不确定应该渲染哪一个在顶部时产生的闪烁效果。

背面剔除是什么？

背面剔除是一种3D图形优化技术，它通过忽略多边形的背面（即不面向观察者的面）来减少渲染计算量，因为通常我们只能看到多边形的正面。

什么是纹理映射？

纹理映射是一种图形技术，它将图像（纹理）映射到3D模型的表面，以此来改变模型的外观，使其看起来更真实和详细。

图形处理单元（GPU）的作用是什么？

GPU是一种专门为图形计算设计的处理器，它通过提供大量的并行处理核心，可以快速执行图形渲染所需的大量重复计算，从而大幅提升3D图形渲染的效率。