3D圖形芯片的算法原理分析

　　注意，場(chǎng)景中的每個(gè)物體的每個(gè)三角形都要經(jīng)過(guò)以上處理過(guò)程。

　　四、象素處理

　　經(jīng)過(guò)以上一系列的變換之后，一個(gè)多邊形已變換到屏幕坐標系下。將一個(gè)屏幕多邊形在屏幕上繪制出來(lái)就是多邊形的象素處理過(guò)程，它包括光柵化、隱藏面消除、明暗處理。光柵化、隱藏面消除、明暗處理是整個(gè)3D圖形生成過(guò)程中最內層的處理。他們是三個(gè)二維插值過(guò)程。光柵化是用屏幕空間三角形的頂點(diǎn)坐標插值，以求得三角形的邊所截取的三角形內掃描線(xiàn)段的端點(diǎn)坐標，并進(jìn)而求得所截掃描線(xiàn)段上的象素坐標。隱藏面消除則是通過(guò)對屏幕空間三角形頂點(diǎn)的深度值(Z坐標)進(jìn)行插值，從而獲得三角形內掃描線(xiàn)段上每個(gè)象素的深度值。明暗處理是用同樣的方法由頂點(diǎn)光強求得三角形內掃描段上每個(gè)象素的光強。這三種處理的算法具有相同的數學(xué)表示形式，只需將坐標、深度或光強代入該方程就可以得到相應的結果?？傊?，場(chǎng)景的繪制過(guò)程可概括為：

　　對場(chǎng)景中的每個(gè)物體的每個(gè)多邊形做幾何變換將其變換到屏幕空間;

　　對多邊形內的每一個(gè)掃描段求出其端點(diǎn)及其上每個(gè)象素的坐標;

　　對掃描段上的每個(gè)象素做隱藏面消除處理及明暗處理。

1.光柵化

　　光柵化處理通過(guò)插值求得三角形內掃描段的x坐標的起點(diǎn)和終點(diǎn)。問(wèn)題是何處是終點(diǎn)和起點(diǎn)?當使用實(shí)數坐標時(shí)在象素之內的何處進(jìn)行采樣，屏幕坐標是取整數還是保留小數精度?這些問(wèn)題如果處理得不好，就會(huì )在多邊形之間產(chǎn)生孔洞，產(chǎn)生重疊的多邊形，這會(huì )在透明效果處理時(shí)產(chǎn)生嚴重問(wèn)題。如果反走樣處理不精確，則會(huì )在帶有紋理的表面上產(chǎn)生紋理不連續現象。例如，如果對屏幕坐標取整，則屏幕多邊形的頂點(diǎn)將延伸或縮回到離它最近的象素，這樣多邊形的大小將發(fā)生微小的變化，而且不能用密集采樣進(jìn)行反走樣處理，動(dòng)畫(huà)中的“顫抖”現象便是由此而引起的。在象素內何處采樣并不重要，重要的是對象素采樣的處理必須一致。

　　2.隱藏面消除

　　全屏幕Z-Buffer(深度緩存器)算法已成為圖形學(xué)事實(shí)上的標準隱藏面消除算法，他雖然簡(jiǎn)單但存儲要求很高。Z-Buffer算法可看作是工作在三維屏幕空間。每一個(gè)象素有一個(gè)二維屏幕空間坐標( xs , ys )和由眼睛空間頂點(diǎn)的深度值插值而得到的z深度值。深度緩存器開(kāi)始時(shí)被初始化為遠處裁剪平面的深度，對每一個(gè)象素比較其插值得到的深度值與已存儲在深度緩存中( xs , ys )處的值，如果該值小于存儲值，則新計算的象素更靠近觀(guān)察者。這時(shí)新計算的象素的明暗處理值將覆蓋幀緩存中的舊值，深度存儲器中的值也換成新計算的值。深度緩存器算法對場(chǎng)景數據庫組織及場(chǎng)景復雜性沒(méi)有限制。在處理復雜場(chǎng)景或物體時(shí)，應保證足夠的深度精度。

　　3.明暗處理

　　首先計算多邊形頂點(diǎn)的明暗參數，然后在多邊形平面上進(jìn)行插值。這樣繪制出的物體不但具有很強的三維立體感，而且消除了用于近似曲面的多邊形之間的公用邊所形成的不連續特征。實(shí)現這一處理方式的算法有兩種，一種稱(chēng)作Gouraud明暗處理，一種稱(chēng)作Phong明暗處理(均以發(fā)明者的名字命名)。這也是基于多邊形的繪制日益受歡迎的一個(gè)重要原因。Gouraud明暗處理的速度快，但不能產(chǎn)生精確的高光效果，通常用在對速度要求高的場(chǎng)合，如飛行模擬、交互式CAD應用等。Phong明暗處理可以生成高質(zhì)量的圖像，但將耗費龐大的硬件資源。Gouraud明暗處理僅在多邊形的頂點(diǎn)使用局部反射光照模型計算光強，然后使用頂點(diǎn)處的光強通過(guò)插值求出多邊形內