如何在2D屏幕上表示3D物體？這是學習3D編程必須要搞明白的事情。大家都知道，調用OpenGL的函數，給定三角形的3個頂點位置，顏色，就能在屏幕上畫一個三角形，再加載一幅圖片，就可以給這個三角形附上紋理，還能讓這個三角形繞某個坐標軸發生旋轉… 這些看似簡單的問題的背后，實則是3D編程的內功。大家都知道，學武之人，拼的是內力，花里胡哨的招式的確很博人眼球，但是從長遠來看，收益遠沒有修煉內力高。

而一個軟光柵渲染器幾乎涵蓋了所有的3D渲染知識，從本篇開始，我們將從零開始實現一個3D軟光柵渲染器，學習3D渲染背后的數學原理。

光柵化

所謂光柵化就是將你想畫的東西轉換到2D屏幕上的像素的過程。這個過程涉及到很多光柵化算法，比如說，畫一條直線，大家都知道直線的方程：y = k * x + b (斜截式) 這里的 x , y 的取值范圍是全體實數，但是屏幕是像素組成的，你要想在屏幕上顯示，你就得使用一些算法將這些實數集映射到相應的像素集（離散化）。

3D流水線

光柵化是OpenGL渲染流水線的一個階段，而這個階段是由GPU完成的。一方面，由于現在很多成熟的光柵化算法已經被集成到GPU中，基本不用開發人員手動實現了。另一方面，由于GPU具有很強的并行計算能力，相比在CPU中實現這些算法，圖形的渲染會大大提升。

那么什么是渲染管線呢？你可以想象一下iphone的生成車間，先制作地板，然后焊接電路，再安裝電池…這就是一條流水線。3D編程中，將物體最終顯示到屏幕上也要經歷類似的過程。

我們以游戲開發為例，簡單介紹一下這個流程：

首先，我們需要一個坐標系來描述場景中各物體的位置，否則你根本無法確定游戲角色、道具等的位置，這個坐標就叫世界坐標。就像它的名字那樣，我們可以把它理解成描述我們構建的3D世界的坐標系，它是唯一的，它是固定不變的。

而我們的游戲模型一般都是在3D軟件中創建的，一般建模的時候，也需要一個坐標系用來描述各個頂點的位置，這就是局部坐標系。如下圖就是blender中的局部坐標系，順便說一下，它是右手坐標系，紅綠藍三個箭頭分別對應x，y，z三個坐標軸。局部坐標系的原點一般是由建模者設置的，比如建一個游戲人物的模型，有的人喜歡把局部坐標系的原點放到模型雙腳中心，而有的人喜歡把它放在角色的腰部位置，這都是可以的。

一個游戲場景一般包含很多模型（房屋，角色，道具，樹木 etc.)，而要將這些分別來自不同建模者的模型繪制到同一個場景（同一個世界坐標系）中來，就需要進行坐標變換。沒有找到合適的模型，就拿我珍藏的一張合影來舉個例子吧。一圖勝前言，不需要解釋。

好了，現在模型們已經變換到世界坐標系了。你玩游戲的時候，是不是可以控制人物走動，走到不同的位置，會看到不同的景象？此時，你看到視圖，是有一個叫攝像機的東東控制的，又叫虛擬相機。這其實是一個概念，就是為了方便觀察世界坐標系中而抽象出來的一個模型（這里的模型是一種概念上的模型）。即使不同攝像機，我們照樣也可以觀察世界坐標系中各個物體，這個我們在后面介紹。現在你只要知道，有一個叫攝像機東西，我們可以很方便的通過控制它來觀察世界坐標系中的物體。此時，我們看到的物體是相對攝像機的位置而言的。比如，你拿手機拍照的時候，雖然你拍的是上海的東方明珠，等你拍下來了，就是你手機上的東方明珠，同一個物體，只是描述的方式不同，這個好好品一下。為什么這么干，我們以后再說。

現實世界是3D的，而計算機屏幕是2D的。我們怎么將3D的世界繪制到2D的屏幕上呢？此時，我們就需要選擇一種投影算法，將3D世界中的坐標點投影到2D屏幕上。

3D渲染最注重的就是效率。我們其實只要繪制我們人眼能看見的東西就好了。一個三角形，其實是有2個面的，一般在某一時刻，我們只能看到一個面，所以，另一個面就不需要繪制了。比如，一個精細的人物模型，可能有幾千萬個三角形構成的，而我們只能看到游戲人物的外表，其內部的三角形面片其實就不用繪制了，因為沒人看。

到這里，我們就已經拿到了要進行繪制的頂點數據了。接下來，就是前面說的進行光柵化操作了。也就是說，我給你一堆頂點以及頂點之間的連接關系，你要能夠在屏幕上正確顯示出來（決定到底屏幕上哪些像素被著色，哪些不被著色）。假設我就繪制一個三角形，給3個頂點，光柵化的過程，就是將這三個頂點之間的連線映射到屏幕上相應的像素，如果給了顏色信息，還要給三角形區域著色。到這里，就能夠在屏幕上現實3D圖形了。

接下來，就是一些優化操作了，比如各種測試（像素包含測試、裁剪測試、alpha測試、模板測試、深度測試 etc.)、混合操作等，反正目的就是提升性能、優化渲染效果。

這就是大概的3D渲染流水線。我們的軟光柵渲染器就是要自己編碼實現這一套流程，這樣在調用OpenGL函數的時候，你才知道它背后到底發生了什么，當你遇到問題的時候，你才有能力嘗試猜測可能什么地方出了問題。

開發環境

最后，說一下開發環境。因為我們是學習3D渲染流水線，這個本身已經夠復雜了。為了能把注意力放到軟光柵的實現上，我們的開發環境越簡單越好，所以，我們選擇JavaScript開發一個Web-based軟光柵渲染器，開發環境VS code，記事本也可以。

其實，只要你掌握了這一套流程，隨便什么語言，只是顯示環境不同，核心原理都是相同的。對著我們的教程，你完全可以實現其他語言的軟光柵渲染器。

歡迎大家關注我的公眾號【OpenGL編程】，定期分享OpenGL相關的3D編程教程、算法、小項目。歡迎大家一起交流。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的从零开始实现3D软光栅渲染器 (1) 简介的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。