渲染管线——透视投影变换

本文详细解析了渲染管线中透视投影变换的过程,包括齐次裁剪变换、裁剪和透视除法三个子步骤。通过这些变换,将三维物体坐标映射到二维屏幕坐标,为后续的光栅化阶段做好准备。

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综述

透视投影变换是渲染管线几何阶段最难理解的地方,实际上,透视投影变换这个过程是要分解成好几个子过程的,它的目的是把物体的三维视图坐标变换为可以在屏幕上描绘出来的二维屏幕坐标。
现在理清一下渲染管线几何阶段的过程:

这里写图片描述

可以看出,透视投影变换被分解为了三个子过程
1.齐次裁剪变换 : 在该过程中主要是通过Camrea、远近平面、宽高比、视角等信息求出投影变换矩阵,并对结点进行变换,变换后结点在齐次裁剪坐标系下。
2.裁剪 : 对位于齐次裁剪坐标系下的Vertex进行必要的裁剪
3.透视除法 : 对结点进行透视除法,完成从三维坐标到二维屏幕坐标的映射。

齐次裁剪变换

所谓的齐次裁剪变换可以用一张图来直观的说明:
这里写图片描述

原来的不规则视椎体被变换为了一个规则的小盒子(这个小盒子又称为规则观察体(Canonical View Volume) 简称CVV),在该坐标系下,所有物体的坐标都满足以下条件:

x ∈ [ − 1 , 1 ] y ∈ [ − 1 , 1 ] z ∈ [ 0 , 1 ] x \in [-1,1] \quad\quad y \in [-1,1] \quad\quad z \in [0,1] x[1,1]y[1,1]z

### Games101 中的渲染管线概念 在计算机图形学领域,渲染管线是指将3D场景转换为2D图像的一系列处理步骤。这一过程类似于工厂中的流水线作业,在此过程中,原始的几何数据被逐步转化为屏幕上的像素。 #### 渲染管线的主要组成部分 根据课程内容描述[^4],典型的渲染管线由多个阶段组成: - **顶点处理 (Vertex Processing)** 这一环节接收来自模型文件或其他来源的三维坐标集合作为其输入。在此阶段内执行的关键操作有:模型变换(model),视图变换(view),以及投影变换(projection)。这些变换能够使物体适应当前视角并映射至二维裁剪空间;此外还可能应用诸如Gouraud光照计算等额外效果。 ```cpp // 示例代码展示如何设置OpenGL中的矩阵模式来准备进行上述三种变换之一 glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity(); ``` - **三角形组装与初步测试 (Triangle Assembly & Early Tests)** 经过顶点着色后的输出会被送入下一个模块——负责构建基本形状(通常是三角形)并将它们组合起来形成完整的对象表面。这一步骤还包括剔除那些完全位于视野之外或背离摄像机方向的部分,从而减少后续不必要的工作量。 ```cpp // OpenGL中启用背面剔除功能以提高效率 glEnable(GL_CULL_FACE); glCullFace(GL_BACK); // 只保留面向相机的一面 ``` #### 实现细节 为了更好地理解整个流程的实际运作方式,下面给出了一段简化版伪代码用于说明从加载网格直到最终呈现于显示器之间的全过程: ```cpp void renderPipeline(Mesh mesh, Camera camera){ // 应用世界变换、观察者位置调整及透视投影 mat4 modelViewProjectionMatrix = projection * view * model; foreach(Vertex v : mesh.vertices()){ vec4 transformedPosition = modelViewProjectionMatrix * vec4(v.position, 1.0f); // 执行顶点着色程序... vertexShader(transformedPosition); // 将结果传递给下一层级 passToNextStage(transformedPosition); } // 构建并绘制三角形列表 drawTriangles(mesh.indices()); } ``` 这段代码展示了从获取初始顶点信息直至完成绘图指令发送的核心逻辑框架。值得注意的是实际开发环境中还会涉及到更多复杂的优化措施和技术手段,比如纹理贴图、阴影投射等功能扩展。
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