Rendering
渲染技术
扫描线
Scan line 专注于几何简单、物体相对静止的多边形渲染
- 适用场景：嵌入式设备、工业技术绘图
它是确定可见表面的最古老的方法之一。它每次「处理一行」而不是处理一个像素。
该技术保留了：
- 边列表 (Edge list)：每条边包含两个端点的坐标。
- 活动边列表 (Active Edge List / AEL )：包含与扫描线相交的边
- 扫描线 的活动边列表包含 个边。
- 扫描线 的活动边列表包含 。
隐藏线
Hidden line 去除不可见线条，突出轮廓
- 适用场景：CAD 制图
有些线条是不可见的，因为被表面阻挡了
深度缓冲
Z-Buffer 决定三维场景物体的的前后顺序、遮挡关系
- 适用场景：实时渲染 → 游戏、VR、AR
建模系统，以 OpenGL 为例，通常是一个右手坐标系。简单来说，就是正 x 轴在你的右手边，正 y 轴朝上，而正 z 轴是朝向后方的。想象你的屏幕处于三个轴的中心，则正z 轴穿过屏幕朝向你。
OpenGL中的观察者为摄像机，一般地，摄像机的初始位置在窗口的正中心。
在绘制图形时，有些图形在前，有些图形在后，这时候就用到了 z 坐标。
图形1 的 z 坐标大于图形2 的 z 坐标，不能代表图形1 会绘制在图形2 的前面，因为图形的前后顺序决于我们的观察平面，即摄像机的位置。
S1、S2、S3 均为「表面」。
距离投影平面最近的表面称为「可见表面」。
Z-Buffer 的原理就是把「距离可见平面的深度值」与窗口的每个「像素」相关联。
基本原理
在场景绘制时，如果遇到两个像素在屏幕上「(x, y) 坐标相同」的情况，在绘制前将会比较两者的 z 值，以判断两者之间谁离观察者更近。
- 如果新的像素 z 值大于旧点，则以新像素「覆盖」原有像素
- 反之则放弃绘制新像素，「保留」原有像素。
这个比较的过程称为「深度测试 」(Deepth testing)。
渲染特点
阴影
Shading 用来给模型表面添加明暗现象，即配色方案如何随照明而变化
- It is an appearance of lights and darks found in a surface of an object.
- How the color scheme and light intensity of an exterior differs with lighting.
纹理映射
Texture-mapping 用来给模型表面添加图像细节，如墙纸、涂料9
凹凸映射
Bump-mapping 用来给模型表面添加凹凸细节，如纹路、划痕
- It is also a kind of texture mapping technique.
- A process of visualizing slight roughness on layers of an object.
运动模糊
Motion blur 用来给模型添加由快速运动而产生的模糊效果
通过计算每个像素在某段时间内的运动路径来生成模糊效果
Motion blur is caused by relative motion between an image acquisition system and an object. Items appear blurry due to the increased movement, or the movement of the camer.
动画
应用
详见
Lecture 5 - Education
- Entertainment
- Advertisement
- Medical
- Retail
- Gaming
- Presentation
实现
形变
Morphing，制作过渡效果
- 第一步：初始图像和最终图像被添加到应用程序中。
- 上面图例中，第 个图像和第 个图像被视为「关键帧」。
- 第二步：选择两张图像上的关键点，以确保图像之间平滑过渡。
- 第三步：第 个图像的关键点变换为第 个图像的相应关键点，依此类推。
平移
Panning，物体在固定尺寸的窗口上移动
缩放
Zooming，物体在固定尺寸的窗口上改变其大小
- When in a window, the object appear more enlarged. This feature is known as 「Zooming In」.
- When in a window, the object appear more decreased in size. This feature is known as「Zooming Out」.
分形
Fractals，通过迭代生成复杂的图像
- 基于前一次迭代的结果，反复使用相同的公式，但每次使用略微不同的值。
光源
光照效果取决于以下三个因素：
观察者
Observer
光源 🌟
点光源
Point Sources
- 从一个单一的点发出光线，向所有方向传播。
- 光的强度随着距离的增加而减弱。
- 例如：房间里的灯泡。
平行光源
Parallel Sources
- 可以被视为一个远离表面的点光源。
- 例如：太阳。
分布光源
Distributed Sources
- 光线从有限的区域发出。
- 例如：荧光灯(Tube light)。
表面
- 当光照射到表面(Surface) 时，它会被反射，部分光会被吸收。
- 表面的结构决定了光的反射和吸收量。
- 表面的位置和周围其他表面的位置也会影响光照效果。
漫反射
Diffuse Reflection 发生在粗糙的表面上
- 光从特定的方向射来，以相同的强度在所有方向上反射。
- 亮度取决于表面法线 和光源方向 之间的角度 ，观察者的位置不重要。
- ：光的强度
- ：点光源的强度
- ：物体的漫反射系数，表示反射的值，范围在 0.0 到 1.0 之间，分别对应红色、绿色和蓝色通道的反射值
- ：标准化后的表面法线
- ：标准化后的光源方向
镜面反射
Specular Reflection 发生在光滑的表面上，大部分光被反射回来
- ：镜面反射指数
- ：给出非镜面材料的镜面成分
环境光
Ambient Light
- 非定向光源。
- 强度是恒定的。
- 看起来是从所有方向均匀地发出。
- ：环境光反射系数
- 范围在 0.0 到 1.0 之间，分别对应红色、绿色和蓝色通道的反射值
着色
本质上是对不同物体应用不同材质的过程，它的的结果受以下因素影响：
- 表面与光源的角度
- 表面与相机的角度
- 材质属性
平面着色
Flat Shading，计算只执行一次，性能开销小，但是效果不够丝滑
为每个多边形计算一个单一的强度值，并应用于多边形表面上的所有点
- All points over the surface of the polygon are displayed with the same intensity value.
高洛德着色
Gouraud Shading，计算针对每个顶点，然后对对每个顶点的结果颜色进行线性插值
如果我们知道两个点的强度，那么就可以计算出它们之间任何一点的强度
- Simulate the differing effect of light and color across the surface of an object.
冯着色
Phong Shading，计算三角形的每个片元
在每个像素上使用光照方程，法向量在多边形上进行插值
- Lighting equation used at each pixel.
- Normal vector are interpolated across the polygon for each vertex.
