圖像渲染

圖像渲染是將三維的光能傳遞處理轉換為一個二維圖像的過程。場景和實體用三維形式表示，更接近於現實世界，便於操縱和變換，而圖形的顯示設備大多是二維的光柵化顯示器和點陣化印表機。從三維實體場景的表示N--維光柵和點陣化的表示就是圖像渲染——即光柵化。光柵顯示器可以看作是一個象素矩陣，在光柵顯示器上顯示的任何一個圖形，實際上都是一些具有一種或多種顏色和灰度象素的集合。

基本介紹

• 中文名：圖像渲染
• 外文名：Image Rendering
• 所屬學科：數字圖像處理
• 分類：真實感、非真實感圖像渲染
• 套用：計算機輔助設計、多媒體教學等
• 硬體條件：強大的圖形處理器

概念

圖像渲染是將三維的光能傳遞處理轉換為一個二維圖像的過程。場景和實體用三維形式表示，更接近於現實世界，便於操縱和變換，而圖形的顯示設備大多是二維的光柵化顯示器和點陣化印表機。從三維實體場景的表示N維光柵和點陣化的表示就是圖像渲染——即光柵化。光柵顯示器可以看作是一個象素矩陣，在光柵顯示器上顯示的任何一個圖形，實際上都是一些具有一種或多種顏色和灰度象素的集合。

圖像渲染流程

在圖像渲染前，需要準備好三維幾何模型信息，三維動畫定義信息和材質信息。其中三維幾何模型通過三維掃描，三維互動幾何建模和三維模型庫中獲取；三維動畫定義通過運動設計，運動捕捉，運動計算和動態變形中獲取：材質從掃描的照片，計算機計算出的圖像和人畫出的圖畫中獲取。圖像渲染中要完成的工作是：通過幾何變換，投影變換，透視變換和視窗剪裁，再通過獲取的材質與光影信息，生成圖像。圖像渲染結束後，會把圖像信息輸出到圖像檔案或視頻檔案，或者是顯示設備的幀快取器中完成圖形生成。

計算機圖形學中的圖像渲染流程

圖形處理器

如此大的計算量，使得人們絞盡腦汁去提高渲染的效率，人們也設計了很多方法和技巧。面要在計算機上實現實時的三維表現，就要藉助顯示硬體的幫助——那就是圖形處理器。

應該說有顯示系統就有圖形處理器(俗稱顯示卡)，但是早期的顯示卡只包含簡單的存儲器和幀緩衝區，他們實際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，圖像渲染主要是由CPU的運算來完成的。尤其是對許多大型的三維圖形軟體來說，大部分時間都是在進行渲染工作。圖像渲染會涉及到大量的浮點運算，象三維實體的位置變化，各種變換所需要的矩陣運算，以及為追求真實感而設計的各種光線跟蹤，輻射度等算法，即使對性能很好的計算機，也是很大的工作量。所以以後發展的圖形處理器都有圖形處理的功能。它不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形函式，這樣就大大減輕了CPU的負擔，提高了顯示能力和顯示速度。

隨著電子技術的發展，顯示卡技術含量越來越高，功能越來越強，許多專業的圖形卡已經具有很強的3D處理能力，而且這些3D圖形卡也漸漸地走向個人計算機。一些專業顯示卡具有的電晶體數甚至比同時代的CPU的電晶體數還多。如NVIDIA公司2002年11月出售的GeForceFX晶片，被稱為視覺處理器，具有12500萬顆電晶體，是同時代Pentium 4 CPU(具有5500萬顆電晶體)的兩倍。

真實感圖像渲染

真實感圖形學是計算機圖形學中的一個重要組成部分，它的基本要求就是在計算機中生成三維場景的真實感圖形圖像。真實感圖形學已經有了非常廣泛的套用，在計算機輔助設計、多媒體教學、虛擬現實系統、科學計算可視化、動畫製作、電影特技模擬、計算機遊戲等許多方面，發揮了重要的作用，而且人們對於計算機在視覺感受方面的要求越來越嚴格，這就需要我們研究更多更逼真的真實感圖像生成算法。

對於場景中的物體，要得到它的真實感圖像，就要對它進行透視投影，並作隱藏面的消隱，然後計算可見面的光照明暗效果，得到場景的真實感圖像顯示。但是，僅僅對場景進行隱藏面消除所得到的圖像真實感是遠遠不夠的，如何處理物體表面的光照明暗效果，通過使用不同的色彩灰度，來增加圖形圖像的真實感，這也是場景圖像真實感的主要來源。

計算機真實感圖像是一種光柵圖像，由象素構成。生成一幅真實感圖像時，我們必須逐個象素地計算畫面上相應內容表面區域的顏色。顯然在計算可見景物表面區域的顏色時，不但要考慮光源對該區域入射光及光亮度和光譜組成，而且還要考慮該表面區域對光源的朝向，表面的材料和反射性質等。這種計算必須基於一定的光學物理模型——光照明模型。基於場景幾何和光照模型生成一幅真實感圖像的過程稱之為繪製。常用的真實感圖像繪製算法包括掃描線算法，光線跟蹤算法，光能輻射度方法等。由於光柵圖像通常包含數十萬甚至上百萬個象素，因此，如何開發利用景物的空間連貫性和圖像連貫性，提高繪製算法效率是真實感圖像技術的研究重點。

非真實感圖像渲染

正像人們意識到繪畫的最終目的並不僅僅是模仿自然和真實再現外部世界，在計算機圖形學中的圖像渲染領域，更應該有多樣化的目標和選擇。

尤其在近十年以來，這種多樣化的探索形成了一個高潮，一個術語漸漸流行起來，它就是“非真實感圖像渲染(NPR，Non-photorealistic Rendering)”，又稱之為風格化渲染。非真實感圖像渲染並不關心像照片般真實地再現客觀世界，恰恰相反，它更專注於圖形個性化和藝術化的表達。在非真實感圖像渲染中，需要對渲染內容和方式做出主動的選擇。對內容創造者(Comem Creator)來說他認為重要的部分要重點表現，而且要用他認為合適的方式來表現，而被創作內容在視覺上的真實並不是被考慮的重點。非真實感圖像渲染經常由一個應用程式實現，這個程式以一幅圖像或三維實體為輸入，而輸出特定藝術風格的圖像。

計算機圖形學研究人員的趣昧的變化與繪畫歷史的發展有相似之處。在相當長的歷史階段中，畫家們都以真實再現外部世界為最高目標，並為此創造了許多方法和技巧(如透視等)。而畫家的趣味也在改變，尤其是在照相機發明之後，因為沒有人能夠象照相機那樣真實地再現外部世界。他們把目光投入到內心深處，於是又產生大量的個人化藝術化和風格多樣的繪畫流派和藝術體驗。計算機圖形學研究人員在圖像演染中也發現了更多樣的選擇，在這個領域做出了大量的嘗試和探索。