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技术美术一百问（01）

news 来源：原创 2024/9/21 23:16:26

———————————————————问题篇————————————————————

基础：

解释BRDF？
什么是Lightmap？
游戏里的各种液体怎么实现？
渲染流水线中，屏幕中的一个像素是怎么绘制出来的？
光照模型在图形学中的作用和常用的光照模型有哪些？
纹理映射和纹理过滤在图形学中的作用
各向异性滤波用于解决什么问题？
Mipmap用于解决什么问题？
常用的纹理映射技术有哪些？
手拆UV要注意哪些问题？

基础偏进阶：

如何优化模型的渲染性能？
图形学中的曲线和曲面绘制算法有哪些？如何实现贝塞尔曲线和贝塞尔曲面？
图形学中的几何变换和坐标系变换有哪些？如何实现物体的旋转、平移和缩放？
什么是着色器？
请解释顶点和片元着色器的作用和功能。
简述图形渲染管线，和各个阶段的功能。
图形学中的多边形剖分和三角网格生成技术有哪些？如何实现复杂模型的渲染和变形？
图形学中的anti-aliasing（反走样）技术有哪些？
如何实现抖动效果（dithering）？

其它

图形学中的虚拟现实和增强现实技术有哪些？如何实现虚拟场景的渲染和交互？
图形学中的计算机动画和物理模拟技术有哪些？

———————————————————答案篇—————————————————

解释BRDF

BRDF（双向反射分布函数）描述光线如何在物体表面进行反射，用来描述材质属性。
什么是Lightmap？

将光照信息预计算并存储到纹理图像中，为3D模型提供静态光照效果，减少实时计算光照的开销。
游戏里的液体怎么实现？

静态水可以直接IOR=1.33，流动液体可以粒子系统模拟，法线贴图和Panner模拟水面波动，get distance of nearest surface结合sin函数可以模拟涟漪。
渲染流水线中，屏幕中的一个像素是怎么绘制出来的？

渲染流水线将顶点数据转化为片元，通过顶点着色器、光栅化和片段着色器计算最终像素的颜色，最终呈现在屏幕上。
光照模型在图形学中的作用和常用的光照模型有哪些？

用于模拟光线与表面交互的效果，常见模型包括Phong模型、Blinn-Phong模型和Cook-Torrance模型。
纹理映射和纹理过滤在图形学中的作用

纹理映射将2D纹理应用于3D模型表面。纹理过滤texture filter解决纹理缩放问题。过滤模式由简单到复杂包括：Nearest Point Sampling（最近点采样），Bilinear（双线性过滤）、Trilinear（三线性过滤）、Anisotropic Filtering（各向异性过滤）纹理基础知识和过滤模式详解_纹理过滤-CSDN博客
各向异性滤波用于解决什么问题？

主要用于解决纹理在视角变化时（斜视角时）的模糊和图像失真问题。
多级纹理贴图Mipmap用于解决什么问题？

Mipmap 通过生成不同分辨率的纹理级别，解决远景纹理模糊和闪烁问题，提高纹理渲染性能和视觉效果。
常用的纹理映射技术有哪些？基础纹理映射（2D Texture Mapping）将一个二维图像映射到三维模型的表面上。立方体纹理映射（Cubemap Mapping）使用一个立方体贴图（由六个面组成的纹理）来创建环境映射效果。每个面的纹理图像都代表从一个方向看向环境的图像。应用：常用于创建反射效果和环境映射，如水面反射和天空盒。
手拆UV注意哪些问题？

避免重叠、拉伸和缝隙，确保纹理均匀和准确。

性能渲染管线等等

如何优化模型的渲染性能？优化方法包括1)减少多边形数、2)使用LOD技术和批处理渲染。使用实例化（Instancing）以减少绘制调用（Draw Calls）优化着色器（Shaders）减少着色器中的计算复杂度，使用shader instance
图形学中的曲线和曲面绘制算法有哪些？如何实现贝塞尔曲线和贝塞尔曲面？

曲线和曲面绘制算法包括贝塞尔曲线、B样条曲线和NURBS。贝塞尔曲线通过控制点生成平滑曲线，贝塞尔曲面则扩展到3D空间。
图形学中的几何变换和坐标系变换有哪些？如何实现物体的旋转、平移和缩放？

几何变换包括平移、旋转和缩放，通过齐次变换矩阵"（Homogeneous Transformation Matrix）实现
什么是着色器？

着色器是一种程序，它控制着图形渲染的各个方面，如颜色、光照、纹理等。着色器通常在图形处理单元（GPU）上运行，从而实现对每个像素或顶点的精细控制。

常见的着色器类型包括：顶点着色器（Vertex Shader）：处理图形中的顶点数据。它负责将顶点从模型空间转换到屏幕空间，并进行变换和光照计算。片段着色器（Fragment Shader）：处理每个像素的颜色。它计算最终的像素颜色，包括纹理映射、光照和其他效果。几何着色器（Geometry Shader）：可以生成新的几何体或修改现有几何体。它处理图形中的几何形状，并可以在顶点处理之后生成额外的顶点。计算着色器（Compute Shader）：用于执行通用计算任务，而不仅仅是图形渲染。它可以用于复杂的物理模拟、粒子系统等。
解释顶点和片元着色器的作用和功能。

顶点着色器处理每个顶点的数据，如位置和颜色。片元着色器处理像素数据，计算每个片元的最终颜色，用于生成最终的图像效果。
图形渲染管线是什么？各个阶段的功能是什么。

渲染管线包括顶点处理、光栅化、片元处理等阶段。顶点处理计算顶点位置，光栅化生成片元，片元处理计算最终像素颜色。
图形学中的多边形剖分和三角网格生成技术有哪些？如何实现复杂模型的渲染和变形？

常见的图形学中的多边形剖分和三角网格生成技术包括：Delaunay三角剖分：用于生成不重叠的三角形网格，常用于地形建模和网格优化。Voronoi图：用于生成多边形网格，可以与Delaunay三角剖分结合使用。三角剖分算法：如Ear Clipping算法，常用于将任意多边形剖分成三角形。（2）实现复杂模型的渲染和变形：细分曲面技术，如Catmull-Clark细分，用于平滑和细化多边形网格，提升模型的视觉效果。
图形学中的反走样技术有哪些？

超级采样（Supersampling Anti-Aliasing, SSAA）：将图像渲染到比目标分辨率高的更高分辨率，然后将其缩小到目标分辨率。计算开销大，因为需要渲染更多的像素。多重采样（Multisample Anti-Aliasing, MSAA）：对每个像素进行多次采样（如1个像素采样4次），然后计算合成最终近似百分比的像素颜色。比SSAA性能开销小，但计算量也大。快速近似反走样（Fast Approximate Anti-Aliasing, FXAA）：一种后处理技术，通过分析图像中的边缘并模糊这些边缘来减少锯齿。性能开销小，易于实现。但可能会导致图像模糊，特别是在细节丰富的图像中。时域抗锯齿（Temporal Anti-Aliasing, TAA）：结合多个帧的信息，通过时间上的信息来减少锯齿。能够减少动态场景中的锯齿和闪烁。可能会引入“鬼影”现象（ghosting），需要对运动模糊和场景内容进行精细调整。自适应抗锯齿（Adaptive Anti-Aliasing）：根据场景中边缘的复杂度自适应地选择不同的抗锯齿方法。能够在保持性能的同时提高图像质量。但实现复杂，需要在性能和质量之间进行平衡。
如何实现抖动效果？通过在图像中添加噪声或随机模式来平滑色彩过渡，使得色彩看起来更加均匀。常见的抖动算法包括Floyd-Steinberg抖动、Jarvis, Judice, and Ninke抖动等。对色彩过渡不平滑的图像有效，计算开销相对较小。
图形学中的虚拟现实和增强现实技术有哪些？如何实现虚拟场景的渲染和交互？

虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术包括头戴显示器、深度相机和实时渲染。VR支持：如果是VR场景，集成VR头显（如Oculus Rift、HTC Vive）的支持，处理头部跟踪、手柄输入等。AR支持：如果是AR场景，使用AR SDK（如ARKit、ARCore）来实现虚拟物体与现实世界的叠加，处理摄像头输入和位置跟踪。
图形学中的计算机动画和物理模拟技术有哪些？

（1）计算机动画技术包括骨骼动画、关键帧动画、程序生成动画、运动捕捉等。（2）物理模拟技术包括刚体动力学（Rigid Body Dynamics）、柔体动力学（Soft Body Dynamics）、流体力学（Fluid Dynamics）粒子流体模拟（Particle-Based Fluid Simulation）和布料模拟（Cloth Simulation）等