如何讓圖像栩栩如生？

無(wú)論虛擬三維世界有多大、多精彩，計(jì)算機(jī)都只能通過(guò)在二維屏幕上繪制像素來(lái)描畫那個(gè)世界。本節(jié)將重點(diǎn)介紹如何讓屏幕上的內(nèi)容看起來(lái)栩栩如生，尤其將介紹如何盡量讓場(chǎng)景看起來(lái)接近于現(xiàn)實(shí)世界。首先，我們來(lái)了解一下如何讓單個(gè)靜態(tài)物體看起來(lái)栩栩如生。然后，我們?cè)倩卮疳槍?duì)整個(gè)場(chǎng)景的同一問(wèn)題。最后，我們將介紹計(jì)算機(jī)該執(zhí)行哪些操作，才能顯示真實(shí)圖像以真實(shí)速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的全動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。

要讓物體的形象逼真，圖像的許多要素都發(fā)揮著重要作用。其中最重要的部分包括：形狀、表面特性、光照、透視、景深和抗鋸齒。

形狀
當(dāng)我們看窗外時(shí)，會(huì)看到由各種形狀構(gòu)成的景色，其中的直線和曲線尺寸各異，構(gòu)成的組合也不盡相同。同樣，當(dāng)我們看計(jì)算機(jī)顯示器上的一個(gè)三維圖像時(shí)，會(huì)看到由多種形狀組成的圖像，盡管大多數(shù)形狀都是由直線構(gòu)成的。我們會(huì)看到正方形、長(zhǎng)方形、平行四邊形、圓形和菱形，但看到最多的還是三角形。為了讓構(gòu)建出的圖像看似擁有自然的平滑曲線，一些形狀必須非常小。要制作復(fù)雜的圖像（比如人體），可能需要將數(shù)千個(gè)這樣的形狀放在一起，構(gòu)成一個(gè)稱為線框的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，這個(gè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)具有了成品的大致模樣，但下一個(gè)主要步驟仍非常重要：必須賦予線框一個(gè)表面。

表面紋理
在現(xiàn)實(shí)世界中看到一個(gè)表面時(shí)，我們可以通過(guò)兩種主要的方法來(lái)獲得有關(guān)這個(gè)表面的信息。我們可以看見(jiàn)它，有時(shí)可以從多個(gè)角度進(jìn)行觀察；我們還可以觸摸它，看看它是硬的還是軟的。但對(duì)于三維圖像而言，我們只能通過(guò)觀察表面來(lái)獲得所有可能得到的信息。這些信息可分成三類：

• 顏色：它是什么顏色？整個(gè)圖像是同一種顏色嗎？
• 紋理：表面看起來(lái)是平滑的，還是有劃痕、突起、凹陷或其他不規(guī)則現(xiàn)象？
• 反射率：它能反射多少光線？表面上其他物件的倒影是清晰還是模糊？

要讓圖像看起來(lái)“真實(shí)”，辦法之一就是在圖像的各個(gè)不同部分包含大量的上述三種信息。請(qǐng)環(huán)顧一下您的四周：您的計(jì)算機(jī)鍵盤與桌面在顏色、紋理、反射率方面都存在差異；而桌面的顏色、紋理、反射率又與您手臂的顏色、紋理和反射率存在差異。要生成真實(shí)的顏色，計(jì)算機(jī)必須能夠從數(shù)百萬(wàn)種不同顏色中選擇出適合構(gòu)成圖像的像素使用的顏色，這一點(diǎn)非常重要。紋理的變化來(lái)自于為各種表面（從青蛙的皮膚到Jell-o牌果凍，再到存儲(chǔ)的應(yīng)用于表面的“紋理貼圖”）建立的數(shù)學(xué)模型。我們還將各種不可見(jiàn)的性質(zhì)（軟、硬、溫暖、寒冷）與特定的顏色、紋理和反射率組合進(jìn)行關(guān)聯(lián)。只要一個(gè)方面出錯(cuò)，真實(shí)的感受就會(huì)被破壞。

照明
進(jìn)入房間后，您會(huì)打開(kāi)燈。您也許不會(huì)花大量的時(shí)間去思考燈泡或燈管傳遞光的方式，以及光是如何擴(kuò)散到整個(gè)房間的。但制作三維圖形的人必須考慮這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榫€框四周的所有表面都必須從某個(gè)位置來(lái)照亮。有一種被稱為光線跟蹤的技術(shù)能夠繪制虛擬光線的行走路線：虛擬光線離開(kāi)燈泡后，被鏡面、墻壁和其他反射面反射回來(lái)，并最終以不同的強(qiáng)度，從不同的角度落在不同的物件上。想想來(lái)自單個(gè)燈泡的光線就已經(jīng)夠復(fù)雜了，但大多數(shù)房間都有多個(gè)照明來(lái)源：多盞燈、屋頂?shù)鯚?、窗戶、蠟燭等等。

光照在產(chǎn)生以下兩種效果方面發(fā)揮著重要作用，正是這兩種效果讓物體看起來(lái)具有重量和硬度：明暗和陰影。如果光線照在物體上，一側(cè)的光線比另一側(cè)強(qiáng)，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生第一種效果，即明暗。正是這種效果使得球看起來(lái)是圓的，讓高顴骨看起來(lái)引人注目，讓毯子上的折痕看上去有深度且柔軟。這些光線強(qiáng)度的差異與形狀配合在一起增強(qiáng)了這樣一個(gè)假象，那就是物體具有縱深、高度和寬度。重量錯(cuò)覺(jué)則來(lái)自于第二個(gè)效果，即陰影。

光線照在實(shí)體上時(shí)，實(shí)體會(huì)投下陰影。觀察日晷或樹(shù)木投在人行道上的陰影，您就可以了解到這一點(diǎn)。因?yàn)槲覀兞?xí)慣于看到真實(shí)物體和人投下陰影，所以，在三維圖像中看到陰影有助于加強(qiáng)這樣一個(gè)錯(cuò)覺(jué)，即我們是在透過(guò)一扇玻璃窗看真實(shí)的世界，而不是在看屏幕上以數(shù)學(xué)方式生成的各種形狀。

透視
透視是那種聽(tīng)起來(lái)相當(dāng)專業(yè)的詞匯之一，但它確實(shí)描述了人人都見(jiàn)過(guò)的一種簡(jiǎn)單效果。如果您站在一條筆直長(zhǎng)路的一側(cè)向遠(yuǎn)處張望，這條路的兩側(cè)在地平線上看起來(lái)就像是交匯成了一點(diǎn)。另外，如果路邊有樹(shù)，較遠(yuǎn)的樹(shù)木看起來(lái)要比離您較近的樹(shù)木矮。實(shí)際上，這些樹(shù)看起來(lái)就像是在路兩側(cè)形成的那一點(diǎn)上會(huì)聚。場(chǎng)景中的所有物體看起來(lái)都像是最終將在遠(yuǎn)處的一個(gè)單點(diǎn)上會(huì)聚，這就是透視。透視有許多不同類型，但大多數(shù)三維圖形使用的是上述的“單點(diǎn)透視”。

在示意圖中，那些手是單獨(dú)存在的，但在大多數(shù)場(chǎng)景中，某些物件之前都會(huì)有另一些物件，從而部分地遮擋這些物件。對(duì)于這些場(chǎng)景而言，軟件不僅得計(jì)算物件的相對(duì)尺寸，而且還必須知道哪個(gè)物件擋在前面，以及它擋住了多少其他物件。Z緩沖區(qū)算法是計(jì)算這些因素的最常用方法。Z緩沖區(qū)算法之名來(lái)自從屏幕回穿過(guò)場(chǎng)景再到地平線的那條軸（或虛線）的通用標(biāo)記（還可考慮使用另外兩條常用軸：衡量場(chǎng)景左右兩側(cè)之間距離的X軸和衡量場(chǎng)景上下方之間距離的Y軸）。

Z緩沖區(qū)根據(jù)包含多邊形的物體與場(chǎng)景前端之間的距離來(lái)為各個(gè)多邊形分配一個(gè)數(shù)字。通常，較小的數(shù)字分配給距離屏幕較近的物件，較大的數(shù)字分配給距離地平線較近的物件。例如，一個(gè)16位的Z緩沖區(qū)會(huì)將數(shù)字32,768分配給距離屏幕最近的物體，而將32,767分配給距離屏幕最遠(yuǎn)的物體。

在現(xiàn)實(shí)世界中，我們的眼睛看不見(jiàn)其他物體之后的物體，因此我們不用去猜想自己應(yīng)該看到什么。但計(jì)算機(jī)會(huì)不斷遇到這個(gè)問(wèn)題，并將以直接的方式來(lái)解決問(wèn)題。每個(gè)物體創(chuàng)建出來(lái)后，其Z值就會(huì)被拿來(lái)與擁有相同X值和Y值的其他物體的Z值進(jìn)行比較。具有最小Z值的物體將被完全渲染，而對(duì)于具有較大Z值的物體而言，它與具有較小Z值的物體相交的部分將不被渲染。這樣做可確保我們不會(huì)看到背景物件透過(guò)前景人物，在前景人物中出現(xiàn)。由于物體被完全渲染之前就已采用了Z緩沖區(qū)，因此根本無(wú)須對(duì)隱藏在人物或物體之后的場(chǎng)景部分進(jìn)行渲染。這就改善了圖形的效果。

景深

可成功用于創(chuàng)建三維圖形的另一個(gè)光學(xué)效果就是景深。讓我們以路邊的樹(shù)木為例。當(dāng)樹(shù)木行列變得越來(lái)越小時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)有趣的現(xiàn)象。如果看離自己較近的樹(shù)，較遠(yuǎn)的樹(shù)似乎就變模糊了。當(dāng)您看有樹(shù)的照片或電影時(shí)，這種現(xiàn)象特別明顯。電影導(dǎo)演和計(jì)算機(jī)動(dòng)畫師利用這種景深效果來(lái)達(dá)成兩個(gè)目的。第一個(gè)目的是增強(qiáng)所見(jiàn)場(chǎng)景中的縱深錯(cuò)覺(jué)。計(jì)算機(jī)完全可以保證場(chǎng)景中的每個(gè)物件不論距離遠(yuǎn)近都完全清晰。但因?yàn)槲覀兞?xí)慣于看到景深效果，所以如果無(wú)視距離遠(yuǎn)近，一律確保物件清晰就會(huì)讓人覺(jué)得不尋常，并將妨礙產(chǎn)生所見(jiàn)的是真實(shí)場(chǎng)景這個(gè)錯(cuò)覺(jué)。

導(dǎo)演采用景深效果的第二個(gè)原因就是要將人們的注意力集中到他們認(rèn)為最重要的物件或演員身上。例如，一方面，為了將注意力集中到影片的女主角身上，導(dǎo)演可能會(huì)采用“淺景深”效果。采用這種效果時(shí)，只有演員清晰可見(jiàn)；另一方面，如果場(chǎng)景旨在讓觀眾對(duì)壯觀的自然景象產(chǎn)生深刻印象，那么就可能采用“深景深”，使場(chǎng)景盡量清晰，引人注目。

抗鋸齒

另一種欺騙人們雙眼的技巧就是抗鋸齒效果。數(shù)字圖形系統(tǒng)非常擅長(zhǎng)于創(chuàng)建貫穿屏幕上下或左右的直線。但如果遇到曲線或?qū)蔷€（這種類型的線條在現(xiàn)實(shí)世界中隨處可見(jiàn)），計(jì)算機(jī)就可能生成像樓梯一樣的線條，而不能生成圓滑流暢的線條。為欺騙觀眾的眼睛，讓他們相信自己看到的是圓滑的曲線或線條，計(jì)算機(jī)將把線條顏色的漸變陰影添加到線條周圍的像素上。這些“灰顯”的像素會(huì)欺騙觀眾的眼睛，讓他們相信鋸齒狀樓梯已經(jīng)消失。添加其他有顏色像素以欺騙眼睛的過(guò)程就叫做抗鋸齒，它是區(qū)分計(jì)算機(jī)生成的三維圖形和手工繪制三維圖形的技巧之一。跟蹤穿過(guò)顏色區(qū)域的各種線條，并添加適量的“抗鋸齒”顏色，是計(jì)算機(jī)在顯示器上創(chuàng)建三維動(dòng)畫時(shí)要執(zhí)行的另一項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)。