Растеризация и графический конвейер

Растеризация преобразует геометрические примитивы, такие как треугольники, в пиксели, которые они покрывают на экране, и составляет центральный этап графического конвейера, который трансформирует 3D-сцены в 2D-изображения.

Definition

Растеризация — это процесс определения того, какие пиксели покрывает спроецированный геометрический примитив, и интерполяции попиксельных величин, таких как глубина, цвет и текстурные координаты, по этим пикселям.

Scope

Эта тема охватывает этапы стандартного конвейера рендеринга — преобразование вершин, отсечение, проекцию, сборку примитивов, сканирование и обработку фрагментов — наряду с буферизацией глубины для обеспечения видимости, интерполяцией атрибутов вершин с учетом перспективы и сглаживанием полученных отсчетов.

Core questions

• Как 3D-координаты преобразуются в 2D-положения на экране?
• Какие пиксели покрывает спроецированный треугольник?
• Как разрешается видимость при наложении примитивов?
• Как уменьшаются артефакты сглаживания по краям?

Key concepts

• Этапы вершин и фрагментов
• Отсечение и проекция
• Сканирование
• Проверка глубины Z-буфера
• Интерполяция с учетом перспективы
• Сглаживание

Key theories

Конвейер преобразования и растеризации

Геометрия проходит через фиксированную последовательность преобразований координат из объектного пространства в экранное пространство, после чего примитивы сканируются в фрагменты, обеспечивая структуру, которая эффективно отображается на параллельное оборудование.

Буферизация глубины для обеспечения видимости

Z-буфер хранит ближайшую глубину, видимую на данный момент для каждого пикселя, и отбрасывает фрагменты, которые находятся за ней, разрешая удаление скрытых поверхностей инкрементально без сортировки геометрии.

Clinical relevance

Конвейер растеризации является основой практически всей графики реального времени, обеспечивая работу видеоигр, композитинга пользовательских интерфейсов, программ для просмотра CAD-моделей и интерактивного 3D в браузерах и на мобильных устройствах.

History

Z-буфер и методы сканирования начала 1970-х годов были кодифицированы в конвейер с фиксированными функциями раннего графического оборудования, а затем обобщены в программируемые шейдерные конвейеры современных графических процессоров.

Key figures

• Edwin Catmull
• Bui Tuong Phong

Seminal works

• catmull1974
• hughes2013

Frequently asked questions

Почему растеризация так быстра?

Каждый треугольник обрабатывается независимо, и каждый пиксель заполняется с помощью простой инкрементальной арифметики, что напрямую соответствует массово-параллельной архитектуре графического оборудования.

Для чего нужен z-буфер?

Он записывает, насколько далеко находится ближайшая уже отрисованная поверхность в каждом пикселе, так что более близкие поверхности перекрывают более дальние, и скрытые части сцены автоматически удаляются.