三维图像详解

文章摘要：让图像实现流畅运动至今为止，我们讨论过的所有因素都使得将三维图像放到屏幕上这一过程变得更为复杂。首先，定义和创建一个物体就很不容易，而要生成显示图像所需的所有像素，从而将物体渲染出来就更加困难。为此必须先对由线框组成的三角形和多边形、表面特性、来自各光源的光线以及多个表面的反射光线进行计算和组合，然后软件才能告诉计算机该如何绘制屏幕上的像素。您可能会认为绘制像素即意味着计算这项艰巨的工作大功告成，但其实正是在绘制（或渲染）阶段，工作量才开始攀升。如今，1024x768的屏幕分辨率只是“高分辨率”的最低要求。这意味着要在屏幕上绘制786,432个图像元素（或称为像素）。如果有32位颜色可用，那么

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让图像实现流畅运动

至今为止，我们讨论过的所有因素都使得将三维图像放到屏幕上这一过程变得更为复杂。首先，定义和创建一个物体就很不容易，而要生成显示图像所需的所有像素，从而将物体渲染出来就更加困难。为此必须先对由线框组成的三角形和多边形、表面特性、来自各光源的光线以及多个表面的反射光线进行计算和组合，然后软件才能告诉计算机该如何绘制屏幕上的像素。您可能会认为绘制像素即意味着计算这项艰巨的工作大功告成，但其实正是在绘制（或渲染）阶段，工作量才开始攀升。

如今，1024x768的屏幕分辨率只是“高分辨率”的最低要求。这意味着要在屏幕上绘制786,432个图像元素（或称为像素）。如果有32位颜色可用，那么乘以32就意味着制作一幅图像要处理25,165,824个位。如果显示速度为60帧/秒，计算机就必须每秒处理1,509,949,440位信息，只有这样才能使图像出现在屏幕上。除此之外，计算机还必须执行其他任务来决定图像的内容、颜色、形状、光照和其他所有一切，从而使屏幕上的像素能够真正展示出正确的图像。想想绘制出图像所需的整套流程，您就不难理解为什么图形显示卡会将越来越多的图形处理工作从计算机的中央处理器（CPU）中转移出来了。CPU需要获得尽可能多的帮助。

计算机图像显示前的变换

虽然您知道了构成屏幕内容的信息位的数目，但这只能让您对所涉及的处理量有部分的了解。要对所处理的负荷总量有个一知半解，我们还得来讨论一下被称为变换的数学过程。只要我们改变了看待事物的方法，那就是应用了变换。例如，在一个画面中，一辆汽车向我们驶来，这时可以采用变换，从而使汽车离我们越近，看起来就越大。另一个例子是将计算机程序创建的三维世界“压平”成可在屏幕上显示的二维图像。那么，就让我们来看看变换所涉及的数学知识（三维游戏的每一帧都要用到这些知识），从而了解计算机在做哪些工作。我们将使用一些虚构的数字，从中您就能看出生成一个屏幕所涉及的庞大计算量。不用担心如何进行这些计算，因为这个任务将完全由计算机代劳。这一切都是为了让您明白，在您玩游戏时计算机要承担多么繁重的工作。

这个过程的第一部分包含几个重要变量：

• X=758——这是我们所见“世界”的高度
• Y=1024——这是我们所见“世界”的宽度
• Z=2——这是我们所见“世界”的深度（从前到后）
• Sx=这是我们的窗口在这个世界中的高度
• Sy=这是我们的窗口在这个世界中的宽度
• Sz=这是深度变量，它决定了哪些物体是可见的，并位于其他被隐藏物体的前方
• D=0.75——这是我们的双眼与这个虚拟世界窗口之间的距离

首先，我们要计算窗口在虚拟世界中的大小。

既然窗口大小已经计算出来了，那么就采用透视变换来执行下一步骤，将这个世界投射到显示器屏幕上。在这一步骤中，我们将添加更多的变量。

然后，通过下列等式，我们可计算出三维虚拟世界中的点（X、Y、Z、1.0）将变换到位置（X'、Y'、Z'、W'）：

这时，在将图像投射到显示器屏幕上之前，必须进行另一个变换，但您已经开始意识到所涉及的计算量之大了，而这一切只是为了在图像中创建一个矢量（线）！您可以想像一下包含众多人和物的复杂场景所涉及的计算，然后想像一下在1秒钟内完成60次这样的计算会是怎样的情形。难道您不为有人发明了计算机而高兴吗？

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