计算机图形学-121

计算机图形学是信息技术领域的一个重要分支，它主要研究如何用计算机生成、处理和显示图形。在121课程中，我们关注的是三角形面的处理和光线追踪技术，这些都是计算机图形学中的核心概念。 我们来看三角形面的处理。在3D建模和渲染中，三角形是最基本的构建单元，因为它们可以轻松地组合成复杂的几何形状。细分（Subdivision）是优化3D模型表面平滑度的一种方法，它可以将原有的三角形分解为更小的三角形，以提高视觉质量。有两种常见的细分方法： 1. Loop细分：这种方法通过在原始三角形上创建新的顶点并移动现有顶点，使得模型表面更加平滑。新顶点的位置通常基于周围顶点的平均位置计算，旧顶点则会在保持原有形状的同时进行微调。Loop细分特别适合于提高曲面的连续性和光滑度。 2. Catmull-Clark细分：与Loop细分不同，Catmull-Clark侧重于四边形网格的细分。它在每条边上引入中点顶点，并在每个面内创建新的顶点，最终将非四边形面转化为四边形。这个过程会产生新的“奇异点”，这些点的度数不为4，但它们有助于保持几何形状的一致性。 除了细分，还有简化（Simplification）这一过程，用于减少模型的复杂性，尤其是远距离物体，这样可以提高渲染效率。边坍缩（Collapsing An Edge）是简化的一种策略，通过选择一个合适的点来替换两个相邻的点，以此减少面的数量。在选择替换点时，通常使用二次度量误差（Quadric Error Metrics）来确保新点的位置使得总体误差最小。虽然这是一个贪心算法，可能不总是最优解，但在实际应用中已经足够高效。 正则化（Regularization）是确保模型在简化后仍然保持几何一致性的重要步骤，它可以防止模型在细分或简化过程中出现不必要的尖角或突变。 接下来，我们转向光线追踪。光线追踪是一种模拟光在虚拟环境中的行为的技术，它用于生成逼真的阴影和反射效果。光线追踪的基本概念包括： 1. 阴影：在相机视角下，如果一个点位于光源视线之外，则该点处于阴影中。阴影分为硬阴影和软阴影。硬阴影是光线被完全阻挡的情况，而软阴影则表示光线部分被遮挡，产生了过渡区域。 2. Shadow Mapping是实现阴影的一种方法，它涉及从光源的视角捕捉场景的深度信息，然后将相机视角下的物体投影到这个深度图上，通过比较判断点是否处于阴影中。然而，这种方法面临浮点精度问题、深度图分辨率问题以及阴影边缘清晰度与深度图大小的平衡问题。 计算机图形学中的三角形面处理和光线追踪是构建真实感图形的关键技术，它们涉及到数学、几何和光学等多个领域的知识，对于理解和创建高质量的3D图形至关重要。通过深入学习和实践这些概念，我们可以创造出更加生动、真实的数字世界。