什么是光栅化（Rasterization）

光栅化（Rasterization）是计算机图形学中的一个核心过程，它将几何图形（如点、线、面、三角形等）转换为像素（像素）组成的图像，以便在屏幕上显示。这一过程是现代计算机图形学和实时渲染技术（如游戏、虚拟现实、科学可视化等）的基础。

光栅化的基本原理和过程

光栅化的核心思想是将连续的几何图形（如三维模型中的三角形、多边形等）分解为离散的像素（栅格），并为每个像素分配颜色、深度、纹理等信息，最终生成图像。

光栅化的主要步骤：

1. 几何处理：将三维模型的顶点坐标通过模型变换、视图变换和投影变换转换为屏幕坐标系中的坐标。
2. 光栅化：确定哪些像素（栅格）被图形覆盖，并为这些像素分配颜色、深度、纹理等信息。
3. 片段处理：对每个像素（称为“片段”或“片元”）进行颜色计算、光照计算、纹理映射等操作，生成最终的像素值。
4. 帧缓冲区更新：将处理后的像素值写入帧缓冲区，最终生成图像。

光栅化的关键概念：

• 顶点数据：图形的几何信息（如顶点坐标、颜色、法线等）是光栅化的输入。
• 片元（Fragment） ：光栅化过程中生成的像素单元，包含颜色、深度、纹理等信息。
• 深度测试：用于解决可见性问题，确定哪些像素是可见的。
• 抗锯齿：通过多采样等技术减少锯齿现象，提高图像质量。

光栅化在不同领域的应用

光栅化广泛应用于多个领域：

• 游戏开发：实时渲染3D场景，如《少年派的奇幻漂流》等游戏。
• 计算机视觉：将复杂数据（如气象模型）转化为直观的2D图像。
• 科学可视化：用于医学、工程、气象等领域的数据可视化。
• UI界面：手机、电脑屏幕的显示技术依赖光栅化。

光栅化与光线追踪的区别

光栅化是基于几何和像素的渲染方法，而光线追踪是基于物理模拟的渲染方法。光栅化更注重效率和实时性，适合实时渲染；光线追踪更注重真实感，但计算成本较高。

光栅化的实现方式

光栅化通常在GPU（图形处理器）上实现，利用其并行计算能力，提高渲染效率。现代图形API（如OpenGL、DirectX）提供了光栅化的底层支持。

总结

光栅化是计算机图形学中的核心技术，它将几何图形转换为像素图像，是现代图形渲染的基础。通过光栅化，计算机能够高效地生成逼真的图像，广泛应用于游戏、虚拟现实、科学可视化等领域