探索3D圖形處理技術(shù)

譚世民

摘 要 現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)突破方向是通過建立知識(shí)圖譜與事物組合圖譜，試圖將現(xiàn)實(shí)世界的景象與知識(shí)組織起來。而近年來，隨著3D游戲和3D電影的推廣，三維圖形已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)迷眼中的又一個(gè)熱點(diǎn)。3D世界到底是怎樣神奇？就讓我們來一探究竟吧。

關(guān)鍵字 計(jì)算機(jī)技術(shù) 3D世界 圖形處理。

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

為真正掌握3D圖形，必須先打好一個(gè)牢固的基礎(chǔ)。顯然，最合理的起點(diǎn)就是計(jì)算機(jī)圖形的基本理論。對每幅計(jì)算機(jī)圖像來說，它的最小構(gòu)成元素都是像素（Pixel）。一個(gè)像素由三個(gè)顏色組件構(gòu)成：紅色、綠色和藍(lán)色。處理器計(jì)算出屏幕上每個(gè)像素的三種顏色值，然后以數(shù)字形式保存到一種特殊類型的本地內(nèi)存（即顯示內(nèi)存）中。之所以要用顯示內(nèi)存保存視頻信息，是因?yàn)樗瑫r(shí)連接了CPU和圖形控制器。需要的時(shí)候，顯示內(nèi)存中的信息被“推”至圖形控制器。圖形控制器取得數(shù)字形式的信息，并將其轉(zhuǎn)換成波形信號(hào)，決定三個(gè)電子槍的電壓。電子槍三個(gè)一組，分別負(fù)責(zé)一個(gè)顏色組件。正如早先指出的那樣，電子槍發(fā)射強(qiáng)度是由輸入的電壓決定的。電子束擊中熒屏背面，那里均勻涂抹著大量熒光體。每一像素由三個(gè)熒光體構(gòu)成，分別能發(fā)出紅光、綠光及藍(lán)光。這三種顏色我們稱之為三原色。將不同強(qiáng)度的紅、綠、藍(lán)色組合在一起，我們可以得到大自然中的任何一種顏色。

1真彩色

之所以叫這個(gè)名字，是由于任意兩種顏色之間的過渡非常平滑，接近自然彩色。真彩色可用24位二進(jìn)制數(shù)表示（即1670萬色）。通常，這24位在每個(gè)顏色組件中均勻分布，即每一原色獲得8位。因此，每個(gè)原色可有2的8次方即256種變化，與真彩相比，低一級的是高彩或16位彩色，它能產(chǎn)生65536種不同的顏色。目前32位彩色也比較常見，它可產(chǎn)生幾十億種顏色。不幸的是，產(chǎn)生這些顏色的熒光體不可能一直發(fā)光，必須不停地刷新或重畫。電子槍必須周期性掃描屏幕。若掃描速度不夠快，屏幕就會(huì)產(chǎn)生閃爍。為緩解這種閃爍，必須增大刷新頻率。通常每秒刷新60-70次才能得到平滑、穩(wěn)定的顯示。隨著分辨率的增大，屏幕刷新會(huì)變得越來越困難，因?yàn)檫@意味著需要更高的帶寬。分辨率是顯示器的一個(gè)重要指標(biāo)，它表示了同屏顯示的顏色及像素?cái)?shù)量和屏幕的（對角）幾何尺寸。像素?cái)?shù)量通常用下述形式表示：每水平掃描行的像素酌看怪鄙枇械南袼??？

2 3D圖形流水線

3D圖形其實(shí)并不難想象，因?yàn)槲覀兙蜕钤谝粋€(gè)3D現(xiàn)實(shí)世界里。自計(jì)算機(jī)能準(zhǔn)確表達(dá)3D圖像以來，至今已過去了大約30年。然而，對更逼真和更自然圖像的渴求從來就沒有間斷過。為達(dá)到對圖像擬真度的要求，必須在上色、調(diào)勻紋理表面以及精細(xì)照明效果上下功夫。為繪制出逼真的3D物件，場景中的每張圖都必須在“3D流水線”上完整地走一遭。

在3D圖形流水線中，最主要兩個(gè)階段是幾何與光柵處理。幾何處理階段會(huì)完成所有計(jì)算。在接下去的光柵處理階段，則根據(jù)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生實(shí)際的屏幕顯示。

在幾何處理階段進(jìn)行的計(jì)算可分為四類：鑲嵌（Tessellation）、轉(zhuǎn)換Transformation）、照明（Lighting）以及設(shè)置（Setup）。3D物件進(jìn)入流水線處理之前，必須先定義成坐標(biāo)數(shù)據(jù)的形式，或采用數(shù)學(xué)公式表達(dá)?！拌偳丁钡哪康木褪菍⑦@些坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多邊形。第二步是“轉(zhuǎn)換”，轉(zhuǎn)換是物件的一種特殊處理方法。我們可旋轉(zhuǎn)、位移以及縮放一個(gè)物件?！罢彰鳌笔菐缀翁幚碜顝?fù)雜的工序。每個(gè)頂點(diǎn)的燈光效果都由一個(gè)照明公式?jīng)Q定。在大多數(shù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，不同的光源會(huì)嚴(yán)重影響真實(shí)的含義。在3D圖形環(huán)境中，光源使物件顯得更加真實(shí)。“設(shè)置”過程無疑是非常關(guān)鍵的，它實(shí)現(xiàn)了3D數(shù)據(jù)向2D數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

光柵處理劃分為四個(gè)基本類別——可見性（Visibility）、紋理貼圖（Texture mapping）、著色（Shading）以及平滑處理（Smoothing）?！翱梢娦浴钡亩x是光柵處理的一道主要工序?？梢娦詻Q定了哪些物件或物件的哪些部分可在屏幕上看見。另一道關(guān)鍵的工序是“紋理貼圖”，它的原理非常簡單，就是將紋理或材質(zhì)粘貼到3D物件表面?！爸笔侵冈趫D像中精確展現(xiàn)出光影效果。最后一道工序是“平滑處理”，在這道工序中，所有斑駁或不自然的外觀都會(huì)被消除。

3小結(jié)

流水線工作量的分配每個(gè)計(jì)算機(jī)用戶的目標(biāo)都是盡可能發(fā)揮出機(jī)器的潛力，這正是進(jìn)行3D圖形處理時(shí)經(jīng)常需要分配工作量的原因。目前3D圖形處理領(lǐng)域非常不穩(wěn)定，技術(shù)經(jīng)常在變化，新的記錄不斷被打破。因此，每道工序的工作量也發(fā)生著戲劇性的變化。盡管幾何處理是計(jì)算密集的一個(gè)階段，但在整條圖形處理流水線中，對帶寬最敏感的還是光柵處理階段。所以，為充分發(fā)揮每個(gè)子系統(tǒng)的能力，可采用幾種技術(shù)分配3D圖形處理的工作量。目前最新的趨勢是將幾何處理分配給CPU進(jìn)行，而光柵處理則分配給圖形加速器，CPU可以很好地完成幾何處理。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇小紅.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)用教程.人民郵電出版社[J]，2012.

[2] 王瓊?cè)A.3D顯示技術(shù)與器件.科學(xué)出版社[J]，2010.