Rasterisierung und die Grafik-Pipeline

Die Rasterisierung wandelt geometrische Primitive wie Dreiecke in die Pixel um, die sie auf dem Bildschirm abdecken, und bildet den zentralen Schritt der Grafik-Pipeline, die 3D-Szenen in 2D-Bilder umwandelt.

Definition

Rasterisierung ist der Prozess, bei dem bestimmt wird, welche Pixel ein projiziertes geometrisches Primitiv abdeckt, und bei dem pro-Vertex-Größen wie Tiefe, Farbe und Texturkoordinaten über diese Pixel interpoliert werden.

Scope

Dieses Thema behandelt die Stufen der Standard-Rendering-Pipeline – Vertex-Transformation, Clipping, Projektion, Primitive-Assemblierung, Scan-Konvertierung und Fragment-Verarbeitung – zusammen mit dem Tiefenpuffern für die Sichtbarkeit, der perspektivisch korrekten Interpolation von Vertex-Attributen und dem Antialiasing der resultierenden Samples.

Core questions

• Wie werden 3D-Koordinaten in 2D-Bildschirmpositionen umgewandelt?
• Welche Pixel deckt ein projiziertes Dreieck ab?
• Wie wird die Sichtbarkeit bei überlappenden Primitiven aufgelöst?
• Wie werden Aliasing-Artefakte an Kanten reduziert?

Key concepts

• Vertex- und Fragment-Stufen
• Clipping und Projektion
• Scan-Konvertierung
• Z-Buffer-Tiefentest
• Perspektivisch korrekte Interpolation
• Antialiasing

Key theories

Die Transform-and-Rasterize-Pipeline

Geometrie durchläuft eine feste Abfolge von Koordinatentransformationen vom Objektraum in den Bildschirmraum, danach werden Primitive in Fragmente scan-konvertiert, was eine Struktur bietet, die effizient auf parallele Hardware abgebildet werden kann.

Tiefenpufferung für die Sichtbarkeit

Der Z-Buffer speichert die bisher nächstgelegene Tiefe an jedem Pixel und verwirft Fragmente, die dahinter liegen, wodurch die Verdeckungsberechnung inkrementell ohne Sortierung der Geometrie gelöst wird.

Clinical relevance

Die Rasterisierungs-Pipeline ist die Grundlage praktisch aller Echtzeitgrafiken und treibt Videospiele, die Komposition von Benutzeroberflächen, CAD-Viewer und die interaktive 3D-Darstellung in Browsern und auf mobilen Geräten an.

History

Die Z-Buffer- und Scan-Konvertierungsmethoden der frühen 1970er Jahre wurden in die Fixed-Function-Pipeline früher Grafikhardware kodifiziert und dann zu den programmierbaren Shader-Pipelines moderner GPUs verallgemeinert.

Key figures

• Edwin Catmull
• Bui Tuong Phong

Seminal works

• catmull1974
• hughes2013

Frequently asked questions

Warum ist die Rasterisierung so schnell?

Jedes Dreieck wird unabhängig verarbeitet und jedes Pixel wird durch einfache inkrementelle Arithmetik gefüllt, was direkt auf die massiv parallele Architektur der Grafikhardware abgebildet werden kann.

Wozu dient der Z-Buffer?

Er speichert, wie weit die bisher am nächsten gezeichnete Oberfläche an jedem Pixel entfernt ist, sodass nähere Oberflächen weiter entfernte überschreiben und verdeckte Teile der Szene automatisch entfernt werden.