柵格化

柵（shan）格化，是PS中的一個專業術語，柵格即像素，柵格化即將矢量圖形轉化為點陣圖（柵格圖像）。最基礎的柵格化算法將多邊形表示的三維場景渲染到二維表面。

基本介紹

• 中文名：柵格化
• 外文名：Grid
• 套用：矢量圖形轉換點陣圖
• 源於：PS軟體

綜述

總體上來講，柵（shan，多音字在PS等專業軟體里讀作shan，柵格即為像素）格化這個術語可以用於任何將【矢量圖形】轉換成【點陣圖|柵格圖像】的過程。

在通常的套用中，這個術語用來表示在計算機上顯示三維形狀的流行[[渲染]]算法。柵格化目前是生成實時[[三維計算機圖形]]最流行的算法。實時套用需要立即回響用戶輸入，並且通常需要至少每秒 24 幀的速率。

與【輻射著色】、【光線跟蹤】等其它渲染技術不同，柵格化的速度非常快，但是由於它不是根據光傳輸的物理規律進行處理的，所以無法正確模擬許多複雜真實光照環境。

基本實現方法

多邊形由三角形的集合表示，三角形由三維空間中的三個頂點表示。在最簡單的實現形式中，柵格化工具將頂點數據映射到觀察者顯示器上對應的二維坐標點，然後對變換出的二維三角形進行合適的填充。

變換

通常使用矩陣運算進行變換，另外也可以用四元數運算但那不是本文討論的範圍。在三維頂點中添加一個齊次變數成為四維定點然後左乘一個 4 x 4 的變換矩陣，通過這種方法就可以對三維頂點進行變換。主要的變換有平移、縮放、旋轉以及投射。

裁剪

一旦三角形頂點轉換到正確的二維位置之後，這些位置可能位於觀察視窗之外，也可能位於螢幕之內。裁剪就是對三角形進行處理以適合顯示區域的過程。

最常用的技術是Sutherland-Hodgeman裁剪算法。在這種方法中，每次測試每個圖像平面的四條邊，對於每個邊測試每個待渲染的點。如果該點位於邊界之外，就剔除該點。對於與圖像平的面邊相交的三角形邊，即邊的一個頂點位於圖像內部一個位於外部，那么就在交叉點插入一個點並且移除外部的點。

掃描變換

傳統的柵格化過程的最後一步就是填充圖像平面中的二維三角形，這個過程就是掃描變換。

第一個需要考慮的問題就是是否需要繪製給定的像素。一個需要渲染的像素必須位於三角形內部、必須未被裁掉，並且必須未被其它像素遮擋。有許多算法可以用於在三角形內進行填充，其中最流行的方法是掃描線算法。

由於很難確定柵格化引擎是否會從前到後繪製所有像素，因此必須要有一些方法來確保離觀察者較近的像素不會被較遠的像素所覆蓋。最為常用的一種方法是深度快取，深度快取是一個與圖像平面對應的保存每個像素深度的二維數組。每個像素進行繪製的時候都要更新深度快取中的深度值，每個新像素在繪製之前都要檢查深度快取中的深度值，距離觀察者較近的像素就會繪製，而距離較遠的都被捨棄。

為了確定像素顏色，需要進行紋理或者濃淡效果計算。紋理圖是用於定義三角形顯示外觀的點陣圖。每個三角形頂點除了位置坐標之外都與紋理以及二維紋理坐標 (u,v) 發生關聯。每次渲染三角形中的像素的時候，都必須在紋理中找到對應的紋素，這是根據在螢幕上像素與頂點的距離在與紋理坐標相關聯的三角形頂點之間插值完成的。在透視投影中，插值是在根據頂點深度分開的紋理坐標上進行的，這樣做就可以避免透視縮減（perspective foreshortening）問題。

在確定像素最終顏色之前，必須根據場景中的所有光源計算像素上的光照。在場景中通常有三種類型的光源。定向光是在場景中按照一個固定方向傳輸並且強度保持不變的光。在現實生活中，由於太陽距離遙遠所以在地球上的觀察者看來是平行光線並且其衰減微乎其微，所以太陽光可以看作是定向光。點光源是從空間中明確位置向所有方向發射光線的光源。在遠距離的物體上的入射光線會有衰減。最後一種是聚光燈，如同現實生活中的聚光燈一樣，它有一個明確的空間位置、方向以及光錐的角度。另外，經常在光照計算完成之後添加一個環境光值以補償光柵化無法正確計算的全局照明效果。

有許多可以用於光柵化的濃淡算法。所有的濃淡處理算法都必須考慮與光源的距離以及遮蔽物體法向量與光照入射角。最快的算法讓三角形中的所有像素使用同樣的亮度，但是這種方法無法生成平滑效果的表面。另外也可以單獨計算頂點的亮度，然後繪製內部像素的時候對頂點亮度進行插值。速度最慢也最為真實的實現方法是單獨計算每點的亮度。常用的濃淡模型有 Gouraud shading 和 Phong shading。

加速技術

為了在任何柵格化引擎中獲得最大的性能，只能往渲染工具中傳送最少數量的多邊形。人們已經開發出了一些加速技術以剔除無法看到的物體。

後向剔除

最簡單的剔除多邊形的方法就是剔除所有背離觀察者的多邊形，這就是後向剔除。由於大多數三維物體都是封閉的，所以除非觀察者位於物體內部，背離觀察者的多邊形都會被面向觀察者的多邊形所遮擋。多邊形的方向由它的旋繞方向（winding）或者送到渲染工具的頂點順序所確定。一旦多邊形變換到螢幕空間之後，就可以檢查它是否位於相反的方向，一旦如此就丟棄這個多邊形。當然，後向剔除不適合於簡併的不封閉立體。

空間數據結構

許多先進的技術使用數據結構提出觀察物體之外的物體或者被其它物體遮擋的物體，最為常用的數據結構有二元空間分割、八叉樹以及 Cell and Portal Culling。

進一步改進

儘管基本的柵格化過程已經出現了數十年，許多當今的套用仍然在最佳化、增加柵格化渲染引擎的套用範圍。

紋理映射

紋理是在特定的解析度生成的，但是由於紋理覆蓋的表面與觀察者之間可能是任意的距離，所以紋理也可能最後圖像上有任意的尺寸。因此，螢幕上的一個像素通常並不直接對應於一個紋素，而是需要使用一些紋理濾波技術來生成任意距離的清晰圖像。有許多在圖像質量與計算的複雜性進行不同這種考慮的方法可以完成這項工作。

環境映射

環境映射是紋理坐標與觀察點相關的紋理映射形式。例如，其中一個常用的應用程式就是用來模擬鏡面反射，我們可以將整個房間內部環境映射到房間內的一個金屬杯上，當觀察者沿著杯子移動的時候，杯子頂點的紋理坐標也隨之變化，這樣就得到反射效果。

凸凹紋理映射

凸凹紋理映射是改變像素深度而不是顏色的另外一種紋理映射形式。尤其是與最新的陰影工具一起使用的時候，凸凹紋理映射使得表面顯現出與光照有關的凸凹不平，從而大幅度地提高真實感。

細節層次

在許多當今的套用中，任何場景中的多邊形數目都是非常大的，但是場景中的觀察者只能區分近距物體的細節。細節層次算法根據物體與觀察者的距離改變幾何圖形的複雜性。正對著觀察者的物體需要進行非常複雜的渲染，而距離遠的物體可以動態地簡化，甚至可以完全適用二維 sprite 替代。

陰影

傳統柵格化過程的光照計算沒有考慮物體遮擋的因素。陰影圖與陰影體是當今兩種生成陰影的普通技術。

硬體加速

從1990年代開始，用於消費型桌面電腦的硬體加速開始變得普通。圖形程式設計師早期依賴於手工編寫彙編程式以改善程式的運行速度，現在大多數的程式已經使用現有的圖形 API 驅動專用的圖形處理器。

最新的圖形處理器帶有可程式的 pixel shader，這可以大幅度地提升程式設計師的能力。未來的發展趨勢就是完全可程式的圖形流水線。