GAMES101作业2：计算机图形学中的渲染技术实践

### 现代计算机图形学学习笔记（作业02） #### 1. 三角形光栅化与插值算法 在图形学中，光栅化（rasterization）是将三维场景中的几何体（通常是三角形）转换为二维图像的过程。在光栅化三角形的过程中，需要对三角形内的像素点进行颜色、纹理、法向量等属性的插值。插值算法对于产生平滑的渲染效果至关重要。常见的插值算法包括透视校正插值（perspective-correct interpolation）和双线性插值等。 #### 2. 投影矩阵 投影矩阵（projection matrix）用于将三维坐标变换到二维视图平面上。在给定的作业中，需要实现一个函数，将之前实验中实现的投影矩阵填入`main.cpp`文件中。这通常涉及到正交投影（orthographic projection）和透视投影（perspective projection）等数学变换。 #### 3. Phong反射模型 Phong反射模型是一种用于计算局部光照的模型，它能够模拟高光反射的效果。Phong模型包括镜面反射（specular reflection）、漫反射（diffuse reflection）和环境光照（ambient lighting）。实现Phong着色器时，需要计算入射光线和表面法线的点积来确定镜面反射和漫反射的贡献。 #### 4. Blinn-Phong模型 Blinn-Phong模型是对Phong模型的改进，它引入了一个新的概念——半角向量（halfway vector）。这种模型更符合物理现象，并且在某些情况下计算效率更高。Blinn-Phong模型通过计算观察方向和半角向量之间的点积来估算光在表面的散射程度，从而影响漫反射和高光的计算。 #### 5. 纹理着色器与纹理映射 纹理着色器（texture fragment shader）允许将纹理图像映射到三维模型表面，产生更加逼真的视觉效果。纹理映射通常通过纹理坐标（texture coordinates）来实现，它是模型表面的点与纹理图像中相应像素的对应关系。 #### 6. 凹凸映射（Bump Mapping） 凹凸映射是一种模拟表面细节的技术，用于给平面或相对简单的表面添加更多的细节感，而不增加几何复杂度。通过在着色器中引入法线贴图（normal map），可以使得表面的光照效果看起来像是凹凸起伏的。 #### 7. 位移映射（Displacement Mapping） 位移映射比凹凸映射更加复杂，它会实际改变几何体表面的位置，从而在原有几何体上创建出物理上的凹凸效果。位移映射通常需要对顶点坐标进行操作，并且在渲染管线的几何着色阶段进行。 #### 双线性纹理插值 双线性插值是在纹理映射中使用的一种插值方法，用于计算两个方向上的线性插值，以获得纹理图中任意坐标点的颜色值。该技术可以显著提高纹理映射的质量，减少因插值引起的纹理失真，特别是在近距离观察纹理贴图时。 #### 实验结果的提交与比较 在本作业中，学生需要提交使用传统纹理插值和双线性纹理插值技术渲染的结果图像，并进行比较。通过比较，可以直观地看出双线性插值在渲染效果上的优势，特别是在处理较小的纹理图时，双线性插值能够提供更加平滑的过渡。 #### 总结 本作业涵盖了计算机图形学中多个核心概念，包括光栅化、投影矩阵、着色器编程、纹理映射和插值技术。通过对这些概念的实现和操作，学习者可以加深对图形学基本原理的理解，并掌握现代图形渲染管线的相关技能。作业要求通过实验操作和结果比较，提高问题分析和解决能力，为深入学习高级图形学技术打下坚实基础。