3D圖形芯片的算法原理分析

　　注意，場景中的每個物體的每個三角形都要經(jīng)過以上處理過程。

　　四、象素處理

　　經(jīng)過以上一系列的變換之后，一個多邊形已變換到屏幕坐標系下。將一個屏幕多邊形在屏幕上繪制出來就是多邊形的象素處理過程，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3D圖形生成過程中最內(nèi)層的處理。他們是三個二維插值過程。光柵化是用屏幕空間三角形的頂點坐標插值，以求得三角形的邊所截取的三角形內(nèi)掃描線段的端點坐標，并進而求得所截掃描線段上的象素坐標。隱藏面消除則是通過對屏幕空間三角形頂點的深度值(Z坐標)進行插值，從而獲得三角形內(nèi)掃描線段上每個象素的深度值。明暗處理是用同樣的方法由頂點光強求得三角形內(nèi)掃描段上每個象素的光強。這三種處理的算法具有相同的數(shù)學表示形式，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。總之，場景的繪制過程可概括為：

　　對場景中的每個物體的每個多邊形做幾何變換將其變換到屏幕空間;

　　對多邊形內(nèi)的每一個掃描段求出其端點及其上每個象素的坐標;

　　對掃描段上的每個象素做隱藏面消除處理及明暗處理。

1.光柵化

　　光柵化處理通過插值求得三角形內(nèi)掃描段的x坐標的起點和終點。問題是何處是終點和起點?當使用實數(shù)坐標時在象素之內(nèi)的何處進行采樣，屏幕坐標是取整數(shù)還是保留小數(shù)精度?這些問題如果處理得不好，就會在多邊形之間產(chǎn)生孔洞，產(chǎn)生重疊的多邊形，這會在透明效果處理時產(chǎn)生嚴重問題。如果反走樣處理不精確，則會在帶有紋理的表面上產(chǎn)生紋理不連續(xù)現(xiàn)象。例如，如果對屏幕坐標取整，則屏幕多邊形的頂點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行反走樣處理，動畫中的“顫抖”現(xiàn)象便是由此而引起的。在象素內(nèi)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)算法已成為圖形學事實上的標準隱藏面消除算法，他雖然簡單但存儲要求很高。Z-Buffer算法可看作是工作在三維屏幕空間。每一個象素有一個二維屏幕空間坐標( xs , ys )和由眼睛空間頂點的深度值插值而得到的z深度值。深度緩存器開始時被初始化為遠處裁剪平面的深度，對每一個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察者。這時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景數(shù)據(jù)庫組織及場景復雜性沒有限制。在處理復雜場景或物體時，應保證足夠的深度精度。

　　3.明暗處理

　　首先計算多邊形頂點的明暗參數(shù)，然后在多邊形平面上進行插值。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(xù)特征。實現(xiàn)這一處理方式的算法有兩種，一種稱作Gouraud明暗處理，一種稱作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合，如飛行模擬、交互式CAD應用等。Phong明暗處理可以生成高質量的圖像，但將耗費龐大的硬件資源。Gouraud明暗處理僅在多邊形的頂點使用局部反射光照模型計算光強，然后使用頂點處的光強通過插值求出多邊形內(nèi)