羽毛先生

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2022/12/19阅读:39主题:全栈蓝

现代计算机图形学入门-L6-光栅化.3——深度缓冲

光栅化3(Rasterization)-深度缓冲(Z-buffer)

Visibility/Occusion(可见性/遮挡)

空间中多个互相遮挡的三角形,经过MVP变换与视口变换后,在光栅化过程中如何处理前后的可见性与遮挡问题。解决办法——深度缓冲(z-buffer)。

Painter's Algorithm(画家算法)

  • 类比油画,先画远处的物品,再画近处的物品,覆盖之前画的内容。
  • 计算机实现:定义内容的深度,按照深度进行排序(复杂度nlogn),按照排序后顺序从远到近进行绘制。存在问题:
    • 定义深度不容易
    • 排序有一定算力消耗
    • 无法解决循环遮挡问题。无法定义深度关系和排序。

因此无法使用画家算法解决遮挡问题。

Z-Buffer (深度缓冲)

Z-buffering相较画家算法而言更加适用,因为它是按像素的深度大小进行排序。(实际上并无进行排序计算,只是通过记录的方式效果上实现了排序)

  • 深度: 物品上的某一点与相机的距离,数值越大,距离相机越远。

算法主要思想:

对屏幕中的每一个像素P

  • 初始定义深度值为无穷大(距离相机无限远)。
  • 在对每个物体的每一个像素A进行光栅化时 ,判断A的深度值(DepthA)与同一位置P(DepthP)处存储的深度值的大小关系:
    • 如果比”当前已绘制像素记录的深度值“小,则绘制像素,同时更新深度值,并用DepthA更新当前DepthP的值
    • 如果比”当前已绘制像素记录的深度值“大,则不绘制像素,也不操作深度值DepthP

如果应用msaa算法,则不是在一个像素内,而是在一个像素内取多个采样点,然后每一个采样点进行深度缓冲,效果会更好

结果

同步生成渲染图与深度图
同步生成渲染图与深度图
  • 离摄像机越近,深度值越小,画面上越黑
  • 离摄像机越远,深度值越大,画面上越白

例子:

  • 首先定义屏幕上所有像素的深度为无穷大
  • 渲染红色像素,由于初始为无穷大,所有红色像素都需要渲染。
  • 渲染蓝色像素时,需要判断深度大小关系来决定是否渲染。

优点

  • 算法没有进行排序,只是记录当前所绘制像素的最小值,因此算法复杂度为O(n)
  • 对绘制顺序无要求。

说明: 无法处理透明物体,需要特殊处理。

总结

一个空间中的三角形:

  • 1.经过MVP变换后,视锥变成了的标准立方体(Canoniacal Cube),视锥内的三角形同步变换。
  • 2.再经过视口变换,立方体变换为(0,0)为原点,长宽为(width,height)的屏幕空间下的矩形,三角形同步应用变换。
  • 3.最后在屏幕上的每一点进行采样,则可以将空间中的三角形在屏幕上显示出来了。

以上过程是绘制一个三角形的过程。当绘制多个三角形时,则需要处理它们的前后关系,采用”深度缓冲“处理是非常好的方法。深度缓冲其实就是对每个像素求最小值。

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