Shader开发（二）什么是网格

引言

在3D图形的世界中，无论是游戏中的角色、建筑，还是电影里的特效场景，一切视觉奇迹的起点都离不开一个核心概念——网格（Mesh）。那么，网格究竟是什么？简单来说，它是3D模型的“骨架”，由一系列几何元素组成，用于定义物体的形状和结构。本文将带你深入探索网格的构成、原理及其在3D渲染中的关键作用。

网格的组成部分

网格的核心在于它的几何数据，主要包括以下几个要素：

顶点（Vertices）

顶点是网格的基本构建单元，代表三维空间中的一个点，通常由x、y、z坐标定义。例如，一个立方体的网格会有8个顶点，每个顶点对应一个角落。顶点不仅是位置的体现，还可能携带额外信息，如颜色或纹理坐标。

边（Edges）

边是连接两个顶点的线段，勾勒出网格的轮廓。尽管在实际渲染中边不一定直接可见，但它们是构建面的基础。

面（Faces）

面是网格的表面，通常由多个顶点围成的多边形构成。在现代3D图形中，最常见的是三角面，因为三角形具有数学上的简单性和稳定性。一个三角面由3个顶点定义，它是渲染管线中最小的可绘制单位。

如下图是一个简单的三角形网格：

这些元素共同协作，形成了我们看到的3D物体。例如，一个简单的立方体网格包含8个顶点、12条边和6个面（每个面由两个三角形组成）。

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顶点顺序与背面剔除

在定义网格时，顶点的排列顺序并非随意的，它直接影响渲染效果。这里引入一个重要概念：背面剔除（Backface Culling）。

顶点顺序

三角面的顶点通常按顺时针或逆时针顺序定义，这一顺序决定了面的“朝向”。例如，假设我们从某个角度看一个三角面，如果顶点按逆时针排列，这个面就被认为是“正面”。

背面剔除

在渲染时，GPU会根据顶点顺序判断哪些面朝向摄像机，哪些背对摄像机。背对的面通常被剔除，不予渲染，从而节省计算资源。这在封闭物体（如球体或立方体）中尤为重要，因为背面通常不可见。

举个例子，想象一个立方体：当你从正面看时，只能看到3个面，另外3个背面被隐藏。背面剔除正是利用顶点顺序实现的优化手段。

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网格与向量的关系

网格不仅定义了形状，还与向量密切相关，尤其是在光照和纹理计算中：

法向量（Normal Vector）

每个面或顶点都会关联一个法向量，用于表示其朝向。法向量垂直于表面，是计算光照效果的关键。例如，当光线照射到一个三角面上时，法向量与光线方向的夹角决定了表面的明暗程度。

切向量与副法向量

在更复杂的渲染中（如凹凸贴图），网格可能还包含切向量和副法向量，用于增强细节表现。这些向量与顶点数据一起存储，确保渲染结果更真实。

通过这些向量，网格从简单的几何结构变成了具有动态表现力的3D模型。