前言
现实中，光照射到物体上，物体反射光进入人眼，形成颜色，组合成视觉效果，相机模拟这一过程，图形亦然。图形渲染根据3d场景生成2d图像，图像尽可能模拟自然，尽可能真实。
渲染有两种方式，射线追踪和光栅化，前者更接近自然规则，实现简单效果好，不过计算量大，广泛应用电影CG等离线渲染，后者效率高，实现自然效果比较麻烦，同时GPU硬件支持，广泛应用游戏等实时渲染。
简介
计算机图形，通过计算机模拟3d世界，并最终通过2d屏幕展示。主要包括Modeling/Rendering/Animation。
Modeling，通过数学方式建立3d几何数据。可以通过3dMax、Blender等建模软件，也可以通过数学公式表达。
Rendering，接受3d几何数据，最终显示在2d屏幕上，常见有光栅化和射线追踪。
Animation，间隔一定时间变换屏幕显示，造成动画错觉。
这里主要是介绍Rendering即渲染，模型和动画会在后续3ds Max详解。
数学
数学是一切自然科学的基石，图形学大量使用数学知识。
坐标系
为了描述位置、方向等信息，需要选择一个度量的参考点，这个就是坐标系，常见的有笛卡尔坐标系，用互相垂直的轴作为原点参考。2d的有x和y轴，3d的有xyz三个互相垂直的轴，常见的有左手坐标系和右手坐标系，dx采用左手坐标系，opengl采用右手坐标系。计算机的显示屏幕，本质上是一个横竖布局的画布，左上角为原点，向下为正，y轴依次增加，向左为正，x轴依次增加。手机屏幕1920 x 1080，横向x轴1920个像素，y轴1080个像素，最终手机渲染的图像会显示在这个像素区域。
向量和矩阵
向量用来表达几何数据，矩阵用来变换向量。向量用来表达3d空间的位置、方向、法线等等几何数据，向量常见的运算有，求长、归一、相乘、点积和叉积等等，有良好的数学和几何属性，用来表达基础几何数据。矩阵的初衷用来解决数学函数的求解，有良好的数学表达能力，被发觉用来做变量变换。矩阵常见的运算有、相乘、转置、求反等等。向量常见的三种变化移动、缩放和旋转，3d向量坐标系转换、转换成2d并最终转换成屏幕空间的2d像素等等，用矩阵都可以很好很高效的实现。
几何
使用数据来表达3d世界，可以使用网格(Mesh)，也可以使用数学公式，前者是渲染和很多操作的基石，后者也用于很多地方的计算。一个圆形，既可以用mesh，很多三角形来模拟，也可以使用数学公式，(x-x0) * (x - x0) + (y - y0) * (y - y0) = r * r来表达。比如在引擎中导入模型，基础的mesh数据外面往往带有包围盒或者包围球，渲染的时候，首先判定包围盒或球是否在视锥体，如果在进行后续流程，不在的话，直接剔除，这个叫做摄像机剔除，大大提高场景渲染效率。射线相交的时候，首先判定射线是否和包围盒或者包围球相交，如果相交，进行后续步骤，大大提高相交效率。
两者都有大量运用，这里主要是讲Mesh。网格主要包括点(Vector)，线(Egde)和面(Face)。面有很多拓扑单元，使用比较多的三角形，三角关系比较稳定，三角组成了最简单的面，没有歧义，适用于大量数学运算并且被GPU支持，效率非常高。
渲染
根据3d场景生成2d图像，并在屏幕上显示，图像可以是真实感的，也可以是非真实感的，前者需要模拟大自然的模拟现象。
渲染流程的话，大概如下3d场景->渲染过程->显示屏幕
1，显示屏幕，本质横向和纵向的像素画布，连续的量转换成离散的量会出现锯齿，减少锯齿的话，有三个方面，加大屏幕分辨率，抗锯齿算法和动画
2，3d场景，主要包括Model，Camera和Light，Model的话，可以使用网格来表示，也可以数学方式来表达。
3，渲染过程，渲染主要包括两个阶段，透视和着色。
人眼看自然世界，远处看起来更小，秋水共长天一色，远处的山和水竟然连在一起啦！这个是透视现象，照相机和图形渲染时候，都采用相同原理。人眼看到各种颜色主要是有光，光通过各种反射折射等等最终传播到人眼形成颜色，这个过程称为着色。
渲染过程
3.1 透视
透视将3d场景转换成2d像素。
光栅化的话，通过矩阵投影将3d转换成2d(透视除法)和深度信息(z-buffer)，根据深度判定前后关系，离摄像机进的覆盖远处。射线追踪通过从摄像机射出射线，判定是否相交，距离近的覆盖远的。光栅化效率更高，目前被GPU支持。
3.2 着色
着色生成像素的颜色。着色计算所有的光照信息在材质表面的行为，并最终生成反射形成颜色。
光由大量光子构成，光子传播到材质上，会根据表面的垂直方向(法线)和入射方向形成反射，反射最终到达人眼形成颜色，材质的感觉比如镜面、塑料、金属也跟材质的各种属性决定。漫反射，材质表面比较粗糙，光朝这个各个方向反射，效果取决与光的方向和表面法线，用于模拟塑料等材质。镜面(光泽)反射，光的反射主要集中在特定方向，效果取决与光的方向、表面法线和观察方向，用于模拟镜子、金属等材质。
透明，光传播到类似于玻璃球这样的透明材质，会有反射和折射现象，反射和折射满足菲涅耳公式。用于模拟，玻璃球、水等透明的材质。
次表面反射，实现半透明效果，用于模拟皮肤等。
间接光照，光的效果不是来自光源，而是其他材质的反射。
全局光照，关照即来自光源，也来自其他材质的反射等，用于模拟更真实
射线追踪
该算法能够比较好的模拟自然现象，不过计算量大，广泛应用离线渲染。
射线追踪的路径
1，Farward Tracing(light tracing)，模拟自然界光子的运动，不过，光子的运动随机，光子与表达介质的几何数据求交消耗大，现实中，光源包括大量大量的光子，实现这种机制，计算消耗大，效果随机，大量采样才能保证效果。
2，Backward Tracing(eye tracing)，从摄像机射出射线(primary ray)，判定当前摄像是否和模型相交，根据模型的材质，反射生成新的射线(shadow ray)，这样射线和运算都可以控制下来。主要的话采用这种方式实现。
算法步骤：
1，生成射线。屏幕相当于摄像机前面的画布，从摄像机位置出发，对屏幕上每个像素生成射线，carema ray(primary ray)
2，射线几何相交。判定射线和几何体相交，着色距离最近的片段，传递给下一阶段，没有任何相交片段的话，重复步骤1.
3, 着色片段，根据介质属性和光的传播特性，生成shadow ray，最终着色，形成像素，传递下一阶段。
4，显示阶段，更新FrameBuffer，给屏幕显示。
光栅化
实时渲染的主流技术，理论形成较早，有成熟的pipeline支持，性能较好，实现各种复杂效果比较麻烦，广泛应用于游戏等领域，被GPU硬件支持。
算法步骤：
1，投影阶段，3d点转换成2d点。转换过程为局部坐标系->世界坐标系->摄像机坐标系->NDC->屏幕坐标系，输出2d点，给下阶段使用。
2，光栅阶段，2d点组成2d面，2d面填充片段，这个过程中，连续的量通过离散的量表示，会出现锯齿。插值单个片段，获得单个片段的属性。输出片段，给下阶段使用。这个过程，需要透视矫正。
3，着色阶段，着色单个片段。根据片段的材质属性比如光照、纹理等形成最终颜色，输出像素，给下阶段使用。
4，显示阶段，投影阶段会存储相应的深度值，离摄像机进的片段输出像素至FrameBuffer，最终给屏幕显示。
