3D图形学新手简明教程

3D图形学新手简明教程

3D计算机图形学是当今数字世界的重要组成部分，从视频游戏到医疗应用，从电影特效到虚拟现实设备，3D图形无处不在。但计算机是如何生成这些令人惊叹的图像的呢？本文将带你一探究竟，以简明易懂的方式介绍3D计算机图形学的基本原理和流程。

1. CG管线：从模型到图像的旅程

3D图形的生成过程通常始于艺术家或设计师使用3D建模软件（如Maya、Cinema4D或Blender）创建模型。以Blender中创建的猴头模型为例：

Blender中的猴头模型

仔细观察模型，你会发现它是由一组通过简单几何图形连接在一起的点组成的，这种结构称为网格：

Blender中猴头模型的编辑视图

每个点称为顶点，顶点是空间中的点，具有坐标x、y和z，这些坐标决定了它在3D世界中的位置。网格由顶点组成，顶点由坐标值组成。但是，我们如何将三个数值转换为屏幕上的某个内容？这就需要图形管道来完成从3D到2D的转换。

2. 顶点着色器：空间转换的魔法

假设我们有一个简单的立方体，它由8个顶点定义：

表示为顶点列表的立方体

顶点着色器首先将这些顶点从模型空间转换到相机空间，然后通过透视投影将顶点从3D坐标系移到2D平面：

立方体的透视投影

3. 图元组装：构建几何形状

图元组装阶段将顶点通过几何图元（通常是三角形）连接起来：

立方体的原始组装

4. 光栅化：从几何到像素

光栅化步骤将几何图形分解为像素片段：

三角形光栅化

光栅化不仅确定哪些像素位于形状内，还通过剔除提高性能，剔除背对相机、在相机视野之外或被其他物体遮挡的三角形。

5. 片段着色器：赋予颜色与质感

片段着色器处理光栅化后的像素片段，确定每个像素的颜色：

由片段着色器着色的光栅化器输出

6. 帧缓冲区：最终成像

所有着色的片段最终被复制到帧缓冲区，这就是屏幕上显示的图像。

7. 现代图形管道的演变

早期的图形库提供了“固定”管道，而现代图形库则采用了“可编程”管道，为开发人员提供了更大的灵活性和控制力。着色器程序使用GLSL语言编写，在GPU上并行执行，这与CPU的顺序执行方式不同。

通过这个简短的介绍，希望你对3D计算机图形学的基本流程有了清晰的了解。也许你会因此对计算机图形学产生兴趣，进而深入学习更多相关知识。