计算机如何在2D屏幕上渲染3D对象

在计算机图形学中，3D图形是由一系列2D的多边形组成的。渲染器通过算法将这些多边形序列转换为在2D屏幕上的图像。

以下是一些用于渲染3D对象的重要技术和原理:

三维坐标系

渲染3D对象需要在三维坐标系中进行。三维坐标系由X、Y和Z轴组成。X轴定义为水平轴，从左到右。Y轴定义为垂直轴，从上到下。Z轴定义为通过屏幕的轴，向内指向屏幕。

矩阵变换

矩阵变换被广泛用于场景中的几何变换，例如缩放、旋转和平移。这些变换通过乘以一个变换矩阵来实现。

例如，平移矩阵可以定义为:

1 0 0 Tx
0 1 0 Ty
0 0 1 Tz
0 0 0 1

其中Tx，Ty和Tz是平移矢量。

投影

两种类型的投影可用于将3D场景投影到2D屏幕上。这些是正交投影和透视投影。

正交投影是一种保持物体尺寸比例的平面视图，它将物体呈现为与屏幕平行的2D对象。

透视投影是一种更符合现实场景的投影方法，根据距离创建不同大小的物体。此方法在呈现更具深度和逼真感的图像时非常有用。

光栅化

光栅化是将几何信息转换为像素的过程。渲染器通过扫描转换几何信息，并将其转换为像素来完成光栅化。

着色器

着色器是将光栅化后的像素计算颜色的程序。每个像素都将传递到顶点着色器和片段着色器中。顶点着色器对每个顶点进行运算和转换，而片段着色器对每个像素进行计算。最终的结果是生成在2D屏幕上的图像。

结论

渲染3D对象需要使用矩阵变换、投影、光栅化和着色器等技术。这些技术一起协作，将几何信息转换为像素，生成具有深度和逼真度的图像。