什么是光栅化

简单说，光栅化（Rasterization）就是把3D的几何图形（比如三角形）转换成屏幕上的像素点。这是实时渲染的核心步骤，你玩的每一款3D游戏，背后都在疯狂地做光栅化。

为什么是三角形？因为三角形是最简单的多边形，三个点确定一个平面，不会出现凹多边形的问题。复杂的3D模型都是由成千上万个三角形组成的。

基本流程

光栅化的过程大致是这样的：

  1. 顶点处理：把3D坐标变换到屏幕坐标（MVP变换）
  2. 图元装配：把三个顶点组装成三角形
  3. 三角形遍历：找出哪些像素被这个三角形覆盖
  4. 片元处理：计算每个被覆盖像素的颜色
  5. 深度测试：决定哪个三角形在前面

坐标变换

3D物体从模型空间到屏幕需要经过几次变换：

模型空间 → 世界空间 → 观察空间 → 裁剪空间 → 屏幕空间
         Model矩阵    View矩阵    Projection矩阵   视口变换

Model矩阵：把物体放到世界中正确的位置、旋转、缩放。

View矩阵：相当于相机，决定了从哪个角度看。

Projection矩阵：透视投影，让远处的东西看起来小。这就是为什么铁轨远处会交汇。

三角形遍历

这是光栅化最核心的步骤。给定屏幕上的三角形，怎么判断哪些像素在三角形内部？

最常用的方法是边函数（Edge Function）。三角形的三条边把平面分成两半，如果一个点在三条边的同一侧，那它就在三角形内部。

// 判断点P是否在边AB的左侧
float edgeFunction(vec2 A, vec2 B, vec2 P) {
    return (P.x - A.x) * (B.y - A.y) - (P.y - A.y) * (B.x - A.x);
}

如果三个边函数的值都同号（都正或都负），点就在三角形内部。

深度测试

一个像素可能被多个三角形覆盖（比如前面的物体挡住了后面的）。深度测试通过比较Z值来决定哪个三角形"赢"。

通常使用Z-Buffer（深度缓冲）：为每个像素存储一个深度值，新的片元只有Z值更小（更近）才能写入。

// 伪代码
if (fragment.depth < zbuffer[x][y]) {
    zbuffer[x][y] = fragment.depth;
    framebuffer[x][y] = fragment.color;
}

插值

三角形内部的像素需要计算颜色、纹理坐标等属性。这些属性在三个顶点上已知，内部的值通过重心坐标插值得到。

简单说就是：离哪个顶点近，就更偏向那个顶点的属性值。数学上用重心坐标（barycentric coordinates）来表示三角形内部任意点的位置。

和光线追踪的区别

光栅化是从物体出发，把物体投影到屏幕。光线追踪是从相机出发，发射光线看碰到什么。

现在GPU有了RT Core，实时光线追踪也开始普及了。但光栅化仍然是基础，大部分游戏还是以光栅化为主，光线追踪为辅。

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