光栅化与图形管线

光栅化将三角形等几何图元转换为它们在屏幕上覆盖的像素，是图形管线的核心步骤，将3D场景转换为2D图像。

Definition

光栅化是确定投影几何图元覆盖哪些像素，并对这些像素上的每顶点量（如深度、颜色和纹理坐标）进行插值的过程。

Scope

本主题涵盖了标准渲染管线的各个阶段——顶点变换、裁剪、投影、图元组装、扫描转换和片段处理——以及用于可见性的深度缓冲、顶点属性的透视校正插值以及结果样本的抗锯齿。

Core questions

• 3D坐标如何转换为2D屏幕位置？
• 投影的三角形覆盖哪些像素？
• 当图元重叠时，如何解决可见性问题？
• 如何减少边缘上的锯齿伪影？

Key concepts

• 顶点和片段阶段
• 裁剪和投影
• 扫描转换
• Z-buffer深度测试
• 透视校正插值
• 抗锯齿

Key theories

变换-光栅化管线

几何体经过从对象空间到屏幕空间的一系列固定坐标变换，之后图元被扫描转换为片段，这种结构可以高效地映射到并行硬件上。

用于可见性的深度缓冲

Z-buffer存储每个像素迄今为止最近的深度，并丢弃位于其后的片段，从而无需对几何体进行排序即可逐步解决隐藏表面消除问题。

Clinical relevance

光栅化管线是几乎所有实时图形的基础，驱动着视频游戏、用户界面合成、CAD查看器以及浏览器和移动设备中的交互式3D。

History

20世纪70年代初的Z-buffer和扫描转换方法被编入早期图形硬件的固定功能管线中，随后被推广到现代GPU的可编程着色器管线中。

Key figures

• Edwin Catmull
• Bui Tuong Phong

Seminal works

• catmull1974
• hughes2013

Frequently asked questions

为什么光栅化如此之快？

每个三角形都是独立处理的，每个像素都通过简单的增量算术填充，这直接映射到图形硬件的大规模并行架构上。

Z-buffer有什么用？

它记录了每个像素迄今为止绘制的最接近表面的距离，因此较近的表面会覆盖较远的表面，场景中隐藏的部分会自动移除。