探索3D图形处理技术

谭世民

摘 要 现在计算机技术突破方向是通过建立知识图谱与事物组合图谱，试图将现实世界的景象与知识组织起来。而近年来，随着3D游戏和3D电影的推广，三维图形已经成为计算机迷眼中的又一个热点。3D世界到底是怎样神奇？就让我们来一探究竟吧。

关键字 计算机技术 3D世界 图形处理。

中图分类号：TP3 文献标识码：A

0引言

为真正掌握3D图形，必须先打好一个牢固的基础。显然，最合理的起点就是计算机图形的基本理论。对每幅计算机图像来说，它的最小构成元素都是像素（Pixel）。一个像素由三个颜色组件构成：红色、绿色和蓝色。处理器计算出屏幕上每个像素的三种颜色值，然后以数字形式保存到一种特殊类型的本地内存（即显示内存）中。之所以要用显示内存保存视频信息，是因为它同时连接了CPU和图形控制器。需要的时候，显示内存中的信息被“推”至图形控制器。图形控制器取得数字形式的信息，并将其转换成波形信号，决定三个电子枪的电压。电子枪三个一组，分别负责一个颜色组件。正如早先指出的那样，电子枪发射强度是由输入的电压决定的。电子束击中荧屏背面，那里均匀涂抹着大量荧光体。每一像素由三个荧光体构成，分别能发出红光、绿光及蓝光。这三种颜色我们称之为三原色。将不同强度的红、绿、蓝色组合在一起，我们可以得到大自然中的任何一种颜色。

1真彩色

之所以叫这个名字，是由于任意两种颜色之间的过渡非常平滑，接近自然彩色。真彩色可用24位二进制数表示（即1670万色）。通常，这24位在每个颜色组件中均匀分布，即每一原色获得8位。因此，每个原色可有2的8次方即256种变化，与真彩相比，低一级的是高彩或16位彩色，它能产生65536种不同的颜色。目前32位彩色也比较常见，它可产生几十亿种颜色。不幸的是，产生这些颜色的荧光体不可能一直发光，必须不停地刷新或重画。电子枪必须周期性扫描屏幕。若扫描速度不够快，屏幕就会产生闪烁。为缓解这种闪烁，必须增大刷新频率。通常每秒刷新60-70次才能得到平滑、稳定的显示。随着分辨率的增大，屏幕刷新会变得越来越困难，因为这意味着需要更高的带宽。分辨率是显示器的一个重要指标，它表示了同屏显示的颜色及像素数量和屏幕的（对角）几何尺寸。像素数量通常用下述形式表示：每水平扫描行的像素酌看怪鄙枇械南袼亍？

2 3D图形流水线

3D图形其实并不难想象，因为我们就生活在一个3D现实世界里。自计算机能准确表达3D图像以来，至今已过去了大约30年。然而，对更逼真和更自然图像的渴求从来就没有间断过。为达到对图像拟真度的要求，必须在上色、调匀纹理表面以及精细照明效果上下功夫。为绘制出逼真的3D物件，场景中的每张图都必须在“3D流水线”上完整地走一遭。

在3D图形流水线中，最主要两个阶段是几何与光栅处理。几何处理阶段会完成所有计算。在接下去的光栅处理阶段，则根据计算结果产生实际的屏幕显示。

在几何处理阶段进行的计算可分为四类：镶嵌（Tessellation）、转换Transformation）、照明（Lighting）以及设置（Setup）。3D物件进入流水线处理之前，必须先定义成坐标数据的形式，或采用数学公式表達。“镶嵌”的目的就是将这些坐标数据转换成多边形。第二步是“转换”，转换是物件的一种特殊处理方法。我们可旋转、位移以及缩放一个物件。“照明”是几何处理最复杂的工序。每个顶点的灯光效果都由一个照明公式决定。在大多数现实环境中，不同的光源会严重影响真实的含义。在3D图形环境中，光源使物件显得更加真实。“设置”过程无疑是非常关键的，它实现了3D数据向2D数据的转换。

光栅处理划分为四个基本类别——可见性（Visibility）、纹理贴图（Texture mapping）、着色（Shading）以及平滑处理（Smoothing）。“可见性”的定义是光栅处理的一道主要工序。可见性决定了哪些物件或物件的哪些部分可在屏幕上看见。另一道关键的工序是“纹理贴图”，它的原理非常简单，就是将纹理或材质粘贴到3D物件表面。“着色”是指在图像中精确展现出光影效果。最后一道工序是“平滑处理”，在这道工序中，所有斑驳或不自然的外观都会被消除。

3小结

流水线工作量的分配每个计算机用户的目标都是尽可能发挥出机器的潜力，这正是进行3D图形处理时经常需要分配工作量的原因。目前3D图形处理领域非常不稳定，技术经常在变化，新的记录不断被打破。因此，每道工序的工作量也发生着戏剧性的变化。尽管几何处理是计算密集的一个阶段，但在整条图形处理流水线中，对带宽最敏感的还是光栅处理阶段。所以，为充分发挥每个子系统的能力，可采用几种技术分配3D图形处理的工作量。目前最新的趋势是将几何处理分配给CPU进行，而光栅处理则分配给图形加速器，CPU可以很好地完成几何处理。

参考文献

[1] 苏小红.计算机图形学实用教程.人民邮电出版社[J]，2012.

[2] 王琼华.3D显示技术与器件.科学出版社[J]，2010.