计算机图形学-学习笔记（1）

pc8888888 · 发表于 2022-5-21 20:45

计算机图形学入门从Games101课程开始，记录部分学习内容
1. CG 和 CV

CG（Computer Graphics）计算机图形学，主要包括三维几何、动画模拟与物理仿真，以及渲染三部分。CV（Computer Vision）计算机视觉，更偏向图像处理，图像分割、识别、分类等。
课程中提到通过2D图像逆渲染3D属于CV，这个分类我是比较困惑的，我更偏向于这属于渲染的部分，属于CG。
2. Transform

渲染的目标是将3D模型渲染到2D图像，Transform涉及如何进行不同坐标系空间的转换。
模型坐标系 3D->世界坐标系3D->相机坐标系（视口坐标系）3D->图像坐标系2D
这里需要代数的数学基础，一些基本的矢量与矩阵运算，感觉将Y轴设置为 up direction，而不是Z轴，主要还是为了最后对齐到图像坐标系的（xy）。
2.1 模型的坐标系
模型的坐标系：三维模型通过CAD、MAYA、3DMAX等辅助工具设计时创建的，为了模型设计方便，通常会以模型的底面中心或者几何中心为原点，Y轴为up direction, -Z 为front方向进行设计，通常与OpenGL坐标系定义一致。
2.2 世界坐标系
世界坐标系：三维世界空间坐标系，右手系。
2.3 相机坐标系

参数	数据类型	备注
fov	float	注意这里需要指出 fov 的轴，默认是 vfov, fovY 垂直方向的视场角
AspectRatio	float	AspectRatio = width / height

2.4 图像坐标系
图像坐标系需要注意坐标系的原点，有些会在左下角，有些会在左上角，需要留心。
2.5 NDC
NDC(normalized Device coordinates) 归一化设备空间坐标系，这个坐标系是以相机为原点的[-1, 1]的一个三维空间坐标系，不再区别perspective 和 orthographics 投影，这个坐标系将真实世界near--far的空间压缩的一个相对坐标系，坐标值不具有空间的物理意义了。
3. Rasterization

将连续高频率空间采样为离散的低频图像，由于采样不足会导致锯齿（jaggies，空间域采样不足)、摩尔纹（moire, 欠采样）、车轮效应（时间域采样不足）等 aliasing, 需要对图像进行抗锯齿 AA(Anti-aliasing)。
3.1 AA算法

AA算法	算法描述
SSAA(Super Sample Anti-aliasing)	基于空域采样，通过单个像素的多次采样平均的方法进行处理，22或者 44，耗时且占用内存
MSAA(Multi-Sample Anti-aliasing)	基于空域采样，SSAA的改进，单个图元不重复计算，考虑了像素的复用，优化采样点的布局
TAA (Temporal AA)	基于时序采样，考虑复用之前时刻像素的采样（渲染会相对容易获取准确的motion vector）,需要注意动态目标鬼影的现象
FXAA(Fast Approximate AA)	后处理，检测边缘，进行边缘处理，会导致图像模糊
SMAA(Enhanced mophological AA)	后处理，FXAA的改进，精确检测距离、局部对比度、几何和对角线

3.1 SR算法，低分辨率图像 -> 高分辨率图像
根本问题依然是采样不足，DLSS(Deep Learning Super Sampling)
4. Pipeline

注意这里的Pipeline主要是实时渲染的Pipeline。Real-Time Rendering Pipeline 渲染管线：
vertex process -> triangle process -> raterization -> fragment process -> frame buffer operations
4.1 Shader
Shader 将材质属性赋予三维模型，在Real-Time Rendering中 shader与shadow 是分别计算的，shader仅仅是对obj目标着色，包括自遮挡，不考虑在其他目标上的阴影。
fragment process 需要指定shader的模型。
4.2 Z-Buffer
Z-Buffer记录图像逐像素的最小深度 depth image，在fragment process 步骤中进行可见性检测。
4.3 Texture mapping
texture是三维物体纹理，2D texture 对应Mesh的三维模型，3D texture 对应 Solid 三维模型；纹理的压缩，采样（mipmap）都需要再看看。
4.4 Shadow Mapping
以光的位置作为相机的位置，存储一张Z-Buffer 记录对光源的可见点最近距离，这样能根据这个距离推算出图像像素点对光源的可见性。该方法需要对每个光源都存储一张depth image，应用的场景是对光源的具体位置可知的，对于IBL的光源设置是不方便的。
5. Geometry

几何的描述可以通过显式(triangle meshes， Bezier surfaces， subdivision surfaces， NURBS，
point clouds ...)和隐式()两种方式。
5.1 Polygon Meshes 显式
存储顶点和polygon(一般是三角形或四边形)，是最常见的三维几何存储方式。
在文件中记住顶点坐标v(x, y,z)、法向矢量vn(nx, ny, nz)、纹理坐标vt(u, v, (w))，以及顶点之间的连接方式f(v/vt/vn)。
三维几何细分中需要了解贝塞尔曲线，贝塞尔曲面，这些会用在渲染Pipeline中Geometry Process的部分，mesh曲面细分、曲面简化、和规则化。

		自动登录	找回密码
密码			立即注册