《fundamentals-of-computer-graphics-4th》 Note01 ...

BlaXuan · 发表于 2022-3-17 08:27

声明：

本文章只是我对《fundamentals-of-computer-graphics-4th》的学习笔记
<hr/>1.1 图形领域（Graphics Areas）

Graphics Areas 涵盖了很多方面
1.1.1 主要领域

建模 Modeling————可存储在计算机上的具有形状和外观的数学规范（例如顶点），符合一定规则的插值方式，从而可描述一些光照模型
渲染 Rendering————从3D计算机模型中创造着色图像
动画 Animation————通过图像序列表现，在Modeling 和 Rendering 基础上加入了时间因素

1.1.2 其他领域

用户交互 User interaction————美观用户界面
VR————对3D图形呈现有着很高的要求
可视化 Visualization————给予用户图形化信息
图像处理 Image processing————处理2D图像
三维扫描 3D scanning————计算 3D models
计算摄影 Computational photography————在计算机图形学、计算机视觉、图像处理上起作用

<hr/>1.2 （计算机图形学）主要应用（Major Applications）

电子游戏 Video games————3D models and rendering
卡通动画 Cartoons————某些传统的2D cartoons 的背景使用了3D models渲染
视觉效果 Visual effects————通过3D models、 animation、rendering...合成环境，实现在现实中不能实现的效果，或者模拟现实物体
动画电影 Animated films————大多和 Visual effects 类似，只是不追求真实
CAD/CAM————计算机辅助设计（Computer - Aided Design）、计算机辅助制造（computer-aided manufacturing）
仿真 Simulation————在实际操作前，通过仿真模拟一些测试
医学成像 Medical imaging————应用之一：CT
信息可视化 Information visualization————将 Data 以 images 的形式展现

<hr/>1.3 图形API （Graphics APIs）

（1）Graphics API————功能：在屏幕上表现 3D surfaces、images ......
（2.1）图形程序需要使用的2个API： Graphics API、User-interface API

Graphics API————用于视觉输出
User-interface API————获得用户输入

（2.2）两大主流的API范例

集成方法：如Java，将图形和用户界面工具包集成
独立方法：代表性的 Graphics API 有Direct3D、OpenGL，绘图指令使用C++

<hr/>1.4 图形流水线（Graphics Pipeline）

Graphics pipeline————将3D vertex locations 映射(map) 到 2D screen positions，对三角形进行着色处理，且使其前后顺序正确

绘制三角形的前后顺序问题————使用 z-buffer（深度缓冲），通过一个专用存储器强行解决此问题
几何操作问题————使用 4D coordinate space（由 3个过渡的几何坐标和第四个 homogeneous coordinate（齐次坐标）组成），通过4x4 matrix 和 4-vectors 表示
处理模型的三角形数量问题————图像生成速度与需要绘制的三角形数量有关；远处和近处物体，可通过不同级别的细节（LOD（level of detail））表现模型

<hr/>1.5 数值问题（Numerical Issues）

（1）绝大部分计算机都遵循 IEEE floating-point standard（IEEE754浮点数表示法标准)
（2）IEEE floating-point中的三种特殊数值

Infinity ————值大于所有其他数字
Minus infinity ————值小于所有其他数字
Not a number (NaN)————无意义的数，如0/0

（3）特殊值的运算

$\left\{ \begin{array}{ll} \infty + \infty = \infty \\ \infty - \infty =NaN \\ \infty * \infty=\infty\\ \infty/\infty = NaN \\ \infty/0 = \infty\\ 0/0=NaN \\ +a/(+\infty)=+0 \\ -a/(+\infty) = -0 \\ +a/(+0) = +\infty \\-a/(+0) = -\infty \end{array} \right.$
任何包含NaN的算数运算，结果都为NaN
任何涉及NaN的Bool运算，结果都为False

<hr/>1.6 效率（Efficiency）

（1）如今和20年前不同，现在是 内存Memory 跟不上 处理器Processor 的速度，提升效率需要有限和连贯的 内存访问
（2）使代码快速的几种方法：

尽量少存储变量（最关键）：用更直接的方式写代码，尽量动态计算结果，而非储存它们
优化模式编译
找出关键瓶颈：使用任何现有的分析工具（如：Unity的渲染分析工具）来发现关键的瓶颈
优化数据结构：检查数据结构以寻找改善局部性的方法。如果可能，使数据单元大小与目标体系结构上的缓存/页面大小相匹配
重写源代码解决你发现的问题
（顺便说一句：将浮点改为整形，不一定能提高速度，因为现在的GPU对浮点计算也很快）

<hr/>1.7 设计和编码图形程序（Designing and Coding Graphics Programs）

1.7.1 类（class）

————高效、整洁；
————一些常见的类：vector、matrix、colorRGBA......

vector2、vector3、hvector（homogeneous vector 4维向量）
RGB————有 3个分量components
Transform————4x4 matrix
image————RGB pixels

1.7.2 单精度 VS 双精度（float vs. double）

float，内存占用少，但可能出现数值问题；double反之
不论如何，在类中定义一个默认值（作者建议double 计算几何，float 计算Color）

1.7.3 调式图形程序（Debugging Graphics Programs）

几种Debug方法：

尝试输出Test Image：观察图像输出，根据经验科学判断
图像作为编码输出：输出渲染时的阶段参量（如法线...），判断其是否正确
Using Debuger：断言程序、输出Log...
数据可视化：显示、打印一些数据

<hr/>文章中涵盖了我的一些个人理解，如有错误或者不妥之处，欢迎大佬指正

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