如何讓圖像栩栩如生？

無論虛擬三維世界有多大、多精彩，計算機都只能通過在二維屏幕上繪制像素來描畫那個世界。本節將重點介紹如何讓屏幕上的內容看起來栩栩如生，尤其將介紹如何盡量讓場景看起來接近于現實世界。首先，我們來了解一下如何讓單個靜態物體看起來栩栩如生。然后，我們再回答針對整個場景的同一問題。最后，我們將介紹計算機該執行哪些操作，才能顯示真實圖像以真實速度進行運動的全動態場景。

要讓物體的形象逼真，圖像的許多要素都發揮著重要作用。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
當我們看窗外時，會看到由各種形狀構成的景色，其中的直線和曲線尺寸各異，構成的組合也不盡相同。同樣，當我們看計算機顯示器上的一個三維圖像時，會看到由多種形狀組成的圖像，盡管大多數形狀都是由直線構成的。我們會看到正方形、長方形、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。要制作復雜的圖像（比如人體），可能需要將數千個這樣的形狀放在一起，構成一個稱為線框的結構。此時，這個結構已經具有了成品的大致模樣，但下一個主要步驟仍非常重要：必須賦予線框一個表面。

表面紋理
在現實世界中看到一個表面時，我們可以通過兩種主要的方法來獲得有關這個表面的信息。我們可以看見它，有時可以從多個角度進行觀察；我們還可以觸摸它，看看它是硬的還是軟的。但對于三維圖像而言，我們只能通過觀察表面來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？整個圖像是同一種顏色嗎？
• 紋理：表面看起來是平滑的，還是有劃痕、突起、凹陷或其他不規則現象？
• 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“真實”，辦法之一就是在圖像的各個不同部分包含大量的上述三種信息。請環顧一下您的四周：您的計算機鍵盤與桌面在顏色、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。要生成真實的顏色，計算機必須能夠從數百萬種不同顏色中選擇出適合構成圖像的像素使用的顏色，這一點非常重要。紋理的變化來自于為各種表面（從青蛙的皮膚到Jell-o牌果凍，再到存儲的應用于表面的“紋理貼圖”）建立的數學模型。我們還將各種不可見的性質（軟、硬、溫暖、寒冷）與特定的顏色、紋理和反射率組合進行關聯。只要一個方面出錯，真實的感受就會被破壞。

照明
進入房間后，您會打開燈。您也許不會花大量的時間去思考燈泡或燈管傳遞光的方式，以及光是如何擴散到整個房間的。但制作三維圖形的人必須考慮這個問題，因為線框四周的所有表面都必須從某個位置來照亮。有一種被稱為光線跟蹤的技術能夠繪制虛擬光線的行走路線：虛擬光線離開燈泡后，被鏡面、墻壁和其他反射面反射回來，并最終以不同的強度，從不同的角度落在不同的物件上。想想來自單個燈泡的光線就已經夠復雜了，但大多數房間都有多個照明來源：多盞燈、屋頂吊燈、窗戶、蠟燭等等。

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

光線照在實體上時，實體會投下陰影。觀察日晷或樹木投在人行道上的陰影，您就可以了解到這一點。因為我們習慣于看到真實物體和人投下陰影，所以，在三維圖像中看到陰影有助于加強這樣一個錯覺，即我們是在透過一扇玻璃窗看真實的世界，而不是在看屏幕上以數學方式生成的各種形狀。

透視
透視是那種聽起來相當專業的詞匯之一，但它確實描述了人人都見過的一種簡單效果。如果您站在一條筆直長路的一側向遠處張望，這條路的兩側在地平線上看起來就像是交匯成了一點。另外，如果路邊有樹，較遠的樹木看起來要比離您較近的樹木矮。實際上，這些樹看起來就像是在路兩側形成的那一點上會聚。場景中的所有物體看起來都像是最終將在遠處的一個單點上會聚，這就是透視。透視有許多不同類型，但大多數三維圖形使用的是上述的“單點透視”。

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

Z緩沖區根據包含多邊形的物體與場景前端之間的距離來為各個多邊形分配一個數字。通常，較小的數字分配給距離屏幕較近的物件，較大的數字分配給距離地平線較近的物件。例如，一個16位的Z緩沖區會將數字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的物體。

在現實世界中，我們的眼睛看不見其他物體之后的物體，因此我們不用去猜想自己應該看到什么。但計算機會不斷遇到這個問題，并將以直接的方式來解決問題。每個物體創建出來后，其Z值就會被拿來與擁有相同X值和Y值的其他物體的Z值進行比較。具有最小Z值的物體將被完全渲染，而對于具有較大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看到背景物件透過前景人物，在前景人物中出現。由于物體被完全渲染之前就已采用了Z緩沖區，因此根本無須對隱藏在人物或物體之后的場景部分進行渲染。這就改善了圖形的效果。

景深

可成功用于創建三維圖形的另一個光學效果就是景深。讓我們以路邊的樹木為例。當樹木行列變得越來越小時，就會出現另一個有趣的現象。如果看離自己較近的樹，較遠的樹似乎就變模糊了。當您看有樹的照片或電影時，這種現象特別明顯。電影導演和計算機動畫師利用這種景深效果來達成兩個目的。第一個目的是增強所見場景中的縱深錯覺。計算機完全可以保證場景中的每個物件不論距離遠近都完全清晰。但因為我們習慣于看到景深效果，所以如果無視距離遠近，一律確保物件清晰就會讓人覺得不尋常，并將妨礙產生所見的是真實場景這個錯覺。

導演采用景深效果的第二個原因就是要將人們的注意力集中到他們認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，導演可能會采用“淺景深”效果。采用這種效果時，只有演員清晰可見；另一方面，如果場景旨在讓觀眾對壯觀的自然景象產生深刻印象，那么就可能采用“深景深”，使場景盡量清晰，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。數字圖形系統非常擅長于創建貫穿屏幕上下或左右的直線。但如果遇到曲線或對角線（這種類型的線條在現實世界中隨處可見），計算機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，計算機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”的像素會欺騙觀眾的眼睛，讓他們相信鋸齒狀樓梯已經消失。添加其他有顏色像素以欺騙眼睛的過程就叫做抗鋸齒，它是區分計算機生成的三維圖形和手工繪制三維圖形的技巧之一。跟蹤穿過顏色區域的各種線條，并添加適量的“抗鋸齒”顏色，是計算機在顯示器上創建三維動畫時要執行的另一項復雜任務。