/LGC图形渲染/图形学系列 -- 3D 图形学基础

来源：互联网发布：淘宝客服考核表格编辑：程序博客网时间：2024/05/17 21:38

图形学系列 -- 3D 图形学基础

作者: 刘鹏

日期: 2009-08-27

本文介绍了三维图形在计算机二维屏幕上的显示原理。

三维图形及动画场景的显示，就是把所建立的三维空间模型，经过计算机的复杂处理，最终在计算机二维屏幕上显示的过程。一般，设计三维图形软件要经过以下步骤：

基于图元建立三维模型

建立三维模型，就是在三维坐标系中画三维场景。利用画点（Point）、画线（Line）、画多边形(Polygon)等函数可以建立复杂的空间模型。在表示三维空间时，一般用齐次坐标（Homogeneous Coordinate）。在实际应用时一般把一系列顶点（Vertex ）组织起来以构成物体或图元（Entity）。

设置观看物体的窗口和观看点（视点）

图形显示的区域称为显示窗口。流程顺序为：

定义一个窗口一般由以下步骤完成：设置窗口模式，设置窗口位置、大小，初始化窗口，窗口颜色设置。
清理窗口是指把窗口清成某种颜色。
要观看场景，也需要一个窗口，即视口。通俗地讲，视口变大，场景被放大；视口变小，场景被缩小。

设定各物体的属性（如色彩、光照、纹理映射等）

要使物体具有真实感，就要对物体进行光照处理。在计算机图形学中，物体的真实感应考虑两种因素：光源和物体材质。

光源具有以下的属性:

颜色: 平常的光源是白色的,但在特殊的环境下,仍然会有不同的光线,一般光线的颜色及强度是以RGB三元色来表示的.
光的种类：一般光可分为四种: 环境光(ambient light)、点光源(point source)、有向光(directional light 、聚光灯(spotlight).
环境光: 最简单的一种光源,没有位置,对环境中的每个物体的各个方向都具有相同的强度.
点光源: 点光源是射向四面八方的,它具有位置(position),但并不具有方向的属性(orientation).
有向光: 这种光有方向,但没有位置,最好的例子是太阳光.这种光是平行穿过三度空间,通常是用来模拟无限远的光源.
聚光灯:有方向有位置,并以圆锥形扩散.这种圆锥的形状是由阴影(umbra)及半影(penumbra)的角度来决定.

材质(texture)

每一面都可能会有其表面的材质纹路,如木制桌面或大理石地板等,通常是以2d静态图形来表示。

如果要物体动起来，还要进行图形变换（如几何变换、视窗变换和投影变换等）

三维动画，就是把三维物体通过各种三维图形变换，把它投影到视口中。OpenGL提供双缓存来制作动画。计算机在显示前台缓存中的画面同时，在后台缓存中绘制下一帧画面，需要显示后台缓存中的画面时，只要用函数把前后台缓存交换即可：图形变换常用的函数，有：平移、旋转、放缩。

三维图形的二维化

三维图形是通过二维视口（屏幕）来观看的，因此，对三维图形要进行投影变换和透视变换。

屏幕三维坐标系

三维坐标系符合右手螺旋规则：X轴正方向沿屏幕向右, Y轴正方向沿屏幕向下, Z轴正方向垂直屏幕向里。