计算机图形学第七章图形绘制管线

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1、第七章图形绘制管线（pipeline）对于一项复杂工程，使用管线结构比使用非管线结构可以得到更大的吞吐量。管线结构的整体速度是由管线中最慢的那个阶段决定的。图形绘制使用的管线称为图形绘制管线。从概念上，图形绘制管线可以粗略地分为3个阶段，即：应用程序阶段、几何阶段、光栅阶段。每个阶段又可以进一步划分为几个子阶段，为了对子阶段进行加速，又可以对子阶段进行并行化处理。应用程序几何光栅图形绘制管线7.1应用程序阶段应用程序阶段是通过软件实现的，开发者能够对该阶段进行完全的控制，可以通过改变实现方式来改进实际性能。这一阶段要完成诸如建模、碰撞检测、加速算法、动画、力反馈、人机交互，

2、以及一些不在其它阶段执行的计算。在应用程序阶段末端，将需要绘制的几何体输入到绘制管线的下一阶段。这些几何体都是绘制图元（如点、线、三角形等），最终需要在输出设备上显示出来。这就是应用程序阶段最重要的任务。对于其它阶段，由于其全部或部分是建立在硬件基础之上，因此要改变实现过程是比较困难的。但应用程序阶段可以改变几何和光栅阶段所消耗的时间，例如可以设法减少传递给几何阶段的三角片数量。由于应用程序阶段是基于软件方式实现的，因此不能像几何和光栅阶段那样分成若干个子阶段。但是为了提高性能，可以使用并行处理器进行加速。7.2几何阶段几何阶段主要负责大部分多边形和顶点操作，执行的是计算量

3、非常高的任务，可以将这个阶段进一步划分为几个功能阶段。模型和视点变换光照和着色投影裁减屏幕映射7.2.1几个坐标系和齐次坐标模型坐标系：每个物体（模型）可以有自己的坐标系，这个坐标系称为模型坐标。它是在建模时确定的。世界坐标系：为了确定物体在场景中的比例、位置和朝向，需要为场景中的物体建立一个公共的坐标系，这个坐标系称为世界坐标系。视点坐标系：固定在观察者的双眼正中，X轴的方向向右、Y轴的方向向上、Z轴的负方向与视线同向。又称为相机坐标系。规范化坐标系：（左手系）x∈[-1,1]，y∈[-1,1]，z∈[-1,1]。窗口坐标系：（左手系）x∈[0,winx-1]，y∈[0,

4、winy-1]，z∈[0,1]其中：winx、winy分别为窗口的宽和高。齐次坐标：齐次坐标（HomogeneousCoordinate）是比普通坐标高一维的坐标，与普通坐标可以相互转换：从普通坐标转换为齐次坐标：（x，y，z）→（x，y，z，1）从齐次坐标转换为普通坐标：（x，y，z，w）→（x/w，y/w，z/w）引入齐次坐标后带来了诸多便利，主要有：可以区分坐标和方向：（x，y，z，1）：坐标（x，y，z，0）：方向规范化的坐标变换：OpenGL中的所有变换都可以用4×4矩阵乘法表示，例如：平移和透视投影。这是普通坐标所做不到的。7.2.1几个坐标系和齐次坐标7.2.

5、2模型与视点变换在图形显示过程中，模型通常需要变换到若干不同的空间（坐标系统）中。（1）模型变换每个模型可以和一个模型变换相联系，这样就可以对它进行定位和定向。同一个模型还可以和几种不同的模型变换联系在一起。就是同一个模型有多个副本，在场景中具有不同的位置、方向和大小，而不需要对基本几何体进行复制。起初，模型处于自身所在的模型空间中，可以认为它根本没有进行任何变换。模型变换的对象是模型的顶点和法线。所有模型经过模型变换从自己的模型坐标系变换到公共的世界坐标系中。实际的绘制只对相机（或视点）可以看到的模型进行。为了便于投影和裁减，需要将原来在世界坐标系中表示的物体变换到相机坐

6、标系中，这是通过视点变换来实现的。（2）视点变换（3）变换的实现方式所有的模型变换和视点变换都用4×4的矩阵来实现。处于效率方面的考虑，可以在进行模型变换之前，将所有的变换矩阵（包括视点和模型变换）级联起来，彼此相乘，形成单一矩阵。在这种情况下，模型直接变换到了相机坐标系（或视点坐标系）。（4）常用变换绕x轴旋转θ角绕y轴旋转θ角绕z轴旋转θ角②平移：①旋转：平移量为Δx,Δy,Δz（4）常用变换③放大：④剪切：x、y、z三个方向分别放大Sx、Sy、Sz倍θABCD沿x轴方向的剪切变换，剪切程度为s=tgθ7.2.3光照和着色几何模型可以有与其每个顶点相关联的颜色（或材质）

7、和覆盖其上的纹理。单独使用光照或纹理（特别是纹理）可以在物体表面产生不错三维效果；但如果单纯使用顶点颜色，效果会很差。左图只有纹理右图使用纹理加光源续前页对于受光照影响的模型来说，可以用光照方程来计算模型上每个顶点的颜色，这个颜色近似模拟了光线与表面之间的实际作用。物体表面每个顶点的颜色由光源位置及性质、顶点位置和法线、顶点所在的材料性质来计算。模型在图形上通常用三角形表示，有了顶点的颜色就可以通过插值绘制出颜色渐变的三角形。通常，光照计算是在世界坐标系中进行的，光源也在世界坐标系中表示。但是，如果对光源及参与光照