解码3D世界到屏幕全过程

RecursiveFrog · 发表于 2022-6-16 15:07

一、效果演示
在讲解原理之前，首先看下以下一幅图片

相机拍摄模拟上图中，有两个信息：
1、有很多物体（如桌子、椅子、房间等），一个照相机（虚拟的）
2、右下角有个预览效果，这个图片，就是3D世界投影到屏幕的结果，可以看到相机不断调整角度，看到的东西在变化。

整个效果其实和我们生活中的现象是很符合的，想象一下我们平时拍照，就是这样的一个过程。所以，图形学3D世界的一切，其实是仿生现实世界的，且能虚拟很多现实不存在的角色（不是指那东西），例如二次元，动画动漫等等。
二、原理分析：

上述过程，在程序猿的世界里是如下一个过程：

过程坐标系：
局部坐标系：也叫建模坐标系，是物体本身为坐标原点，每个物体都有一个世界坐标系：在整个场景中，唯一决定的全局坐标系相机坐标系：特殊的局部坐标系，确定相机位姿的作用，决定了显示画面裁剪平面：裁剪掉相机视野以外的内容，第一张图相机上的白色线框所决定图像坐标系：图片的像素坐标系屏幕坐标系：显示器设备的显示坐标系
为了更清晰的描述以上内容，使用以下两个阶段来说明：
2.1、物体坐标系到相机视野的过程

如上图，一群美女聚焦在中间，在4号美女位置定义全局坐标系（世界坐标系），每个美女都可以自己摆动姿势（局部坐标系），而拍摄者就是相机坐标系，当拍摄者调整相机焦距等就是定义视景体空间，超出视线外的会裁剪掉。

2.2、从相机视野到屏幕坐标全过程

由前面的文章讲解过，每个角色（模型）本质上就是无数三角形的组合，我们称之为三角网格（不理解的可以阅读以前的文章）。
当视野确定后，所有数据都经过运算变成相机坐标系下的数据（裁剪平面到图片坐标系）。而每个三角形的处理过程，就如上图的光栅化阶段的过程。

先是gpu（显卡，就是平时买电脑时候的独立显卡）在顶点着色器中拿到三角形的三个顶点进行处理，然后到几何着色器中画成三角形，然后对每个三角形进行栅格化得到每个像素，就交给片元着色器进行处理然后指定该像素的颜色值，再进行一些列的后处理，最后显示在显示屏幕上（屏幕坐标系）。
三、总结：以上就是图形学3D世界到屏幕显示的全过程，以上过程进行了简化，其中还包含很多处理，比如矩阵运算、深度测试、模板测试、混合等等，感兴趣的自己在网上搜索相关的知识点学习。

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