术语表

编程类

作用域

表示程序和变量可以被调用的范围，在下面这段代码中

[...]; int a = 0; float function() { int b = 0; a = 1; // 可行 [...]; } void main() { a = 2; // 可行 b = 1; // 不可行 [...]; }

a 可以被 function() 和 main() 调用，而 b 只能在 function() 内被调用。

当作用域在最外层（位置形如 a ）时，我们称其为全局变量 ；与之相对的（位置形如 b ），我们称其为局部变量。

变量类型和修饰符

在许多语言中，我们都需要在定义一个变量的时候同时定义它的类型。如 int a 前面的 int 就是变量 a 的变量类型，这决定了计算机如何处理它们。

• 这里列出了一些 C 中常见的变量类型（不包含扩展）：

  • int ：整数。

    • long ：长整数，长度是 int 的两倍。

      • long 和 long int 表示一个长整型， long long 和 long long int 表示一个超长整型。

    • short ：短整数，长度是 int 的一半。

  • float ：浮点数，计算机中可以表示小数的类型。

    • double ：双精度浮点，长度是 float 的两倍。

    • half ：半精度浮点，长度是 float 的一半。

  • char ：单个字符。

除了数据类型以外，我们还可能会用到一些修饰符，它们可以用来对控制变量类型或改变变量的行为，例如 const int b;。

• 这里列出了一些 C 中常见的修饰符：

  • auto ：默认的变量修饰符，不指定存放位置，不指定生命周期。 通常省略。

  • static

    • 修饰函数时：表示该函数只能在此文件内被调用。

    • 修饰 全局变量 时：表示该变量只在此文件内有效。

    • 修饰 局部变量 时：表示退出作用域之后变量不会被销毁，重新进入作用域时变量也不会被初始化（除非在声明时进行了赋值）。

  • register ：表示尝试把该变量放入 CPU 寄存器而不是内存中，以获得更快的访问速度，特别是那些经常会访问的变量。

  • const ：表示该变量值不能被修改，此时我们可以把其视为常量。

指针

在变量类型后紧跟 * 表示声明一个指针类型的变量，它的值是对应变量类型的内存地址。

• 要对它进行进行赋值，我们需要使用取地址符 & 紧跟一个对应类型的变量。

• 要想调用它所指向的值，我们要在调用此变量时在前面加上取值符 *。

数组

许多同类型数据的集合。通常在数据类型后加 [] 来定义。 []的数量代表了数组的维度。

• 我们使用形如 int a[][]... 来声明一个数组变量，使用 int[][]... 来直接表示数组类型。例如 int c[2][3]。

• 声明出来的数组变量本身是一个指针 ，我们可以使用形如 a[0] 来访问数组 a[][]... 中第一维上的第一个元素。

图形基础

参阅： 着色器 基本概念和轶事

着色器

Shader ，光影中包含一个或数个着色器。着色器定义了如何处理传入的三角形，以及向何处输出何种信息。

• 常见的着色器类型见： 场景在着色器中发生了什么？。

• 我们约定， 着色器指单个着色器文件，而光影指着色器、配置文件等打包而成的 光影包。

渲染管线

Rendering Pipeline ，规定了着色器处理画面的顺序。

三角形和法线

不同于前文所述的 体素 ，3D图形更常用的是类似 矢量图 的渲染方法。

• 计算机图形学约定，三角形的三个顶点以逆时针顺序所形成的平面就是这个形状的正面。

  • 垂直于这个面朝外的方向就是这个三角形的面法线 （Surface Normal）。

着色（目标）点

Shading Point ，指当前着色器正在处理的像素点。

采样（目标）点

Sampling Point ，指当前着色器正在 缓冲区 上采样的像素点。

视平面

在场景中所有能看到的内容可以构成一个平截头体 ，或者说视锥体 。最近能看见的位置所成的平面称为近平面 ，同理最远可见的位置所成的平面称为远平面 。为了保证近处不被意外遮挡或剔除，通常会将近平面设置为一个小值，沿摄像机朝向在Z轴上小于这个位置的几何体都会被剔除。而归一化就是在基于摄像机的坐标系下，将近平面到远平面的坐标映射到 [0, 1] 上。

平行光源

也称无限光 ，距离玩家无穷远处的光源。

点光源

从自身向所有方向发射光照的光源。

渲染方法

现代常用的渲染方法有两种， 向前渲染法和延迟渲染法。

向前渲染法

将一类几何体全部传入对应的单个着色器，处理完毕后，将颜色直接输出在屏幕上。

其因所有效果的处理都随管线向前推进而得名。

延迟渲染法

将画面处理分为两趟：

几何缓冲（阶段）

Geometry Buffer (Stage) ，这种阶段的着色器因传入的顶点数据是场景中实际的几何体而得名，它还接受所有原始纹理（包括法线、高光等）的传入，并将其映射到几何体上。

延迟处理（阶段）

Deferred / Composite (Stage) ，这种阶段的着色器所使用的信息都是之前的几何缓冲和上一个延迟处理着色器绘制到缓冲区的画面。在这个阶段，着色器从缓冲区中读取信息，并将计算结果绘制到铺屏四边形上。

• 此阶段无法引入原本场景中额外的几何和颜色信息，不能改变原本的纹理映射坐标。

• 在这个阶段可以通过各种深度图和逆矩阵来重建各种坐标。

其因延后了大部分性能开销较大的效果到独立阶段而得名。

缓冲区

Frame Buffer ，亦称屏幕缓冲、帧缓冲，是存储图像的区域（对象）。可以理解为一张图片，在延迟渲染法中，先在几何缓冲阶段将原始信息写入缓冲区，再在延迟处理阶段调用信息进行运算。

深度缓冲区

Depth Buffer ，也叫深度图，是一种特殊的缓冲区，它只有一个通常是 32 位的 R 通道。它所包含的信息是相对垂直于摄像机朝向的平面的归一化距离，越远的地方值越趋于 1.0 ，反之越趋于 0.0。

颜色附件

Color Attachments ，是负责着色器间传递数据的对象，每个颜色附件包含两个缓冲区，以逻辑名称 main （主 ）和 alt （副 ）标记，在不同系统和 GPU 上，颜色附件的数量可能有所差异。得益于双缓冲区颜色附件，着色器可以读取 主 缓冲区中的信息进行计算，最后再输出回同附件的 副 缓冲区。在 OptiFine 中， 阴影颜色附件有 2 个，而屏幕颜色附件至多有 16 个。
* 几何缓冲阶段不会翻转缓冲区， 延迟处理阶段则在每个着色器结束后都会翻转。

坐标系

Coordinate System ，通常以 XYZW 为坐标。在着色器中基于不同坐标系即称为不同空间 ，通过矩阵可以在不同坐标系之间转换。

局部空间

Local Space ，以单个物体为基准，通常以画面中心为原点，描述每个物体的每个顶点的相对位置。

世界空间

World Space ，以整个场景为基准，描述每个顶点的绝对位置。

观察空间

View Space ，以摄像机为基准，以摄像机为原点，描述每个顶点相对摄像机的位置。

裁切空间

View Space ，以摄像机为基准，以画面中心为原点，坐标取值范围为 ，描述每个顶点经过透视映射（投影）后相对画布的位置。

屏幕空间

Screen Space ，以窗口为基准，以画面左下角为原点，坐标取值范围为 ，描述每个顶点在屏幕上的位置。

纹理坐标

Texture Coordinate ，通常以 UV 为坐标。以二维纹理为例，对于三维空间中任意三角形的表面上的任意点，都有一个在二维纹理上对应的坐标，这个坐标就是这个三角形此处的纹理坐标。纹理坐标可以在着色器中进行各种变换。

• 将二维纹理坐标上的颜色映射到三维空间中三角形上的过程，就是纹理映射，而三角形获取纹理上的颜色，就称为纹理采样。

精灵图

Sprite ，屏幕上的每个组成元素都是一个精灵。

• 古早主机上，活动的贴图都是精灵，而背景则称为“瓦片（Tile）”。

• 现代平台上，精灵通常指 图元。

OpenGL 相关

OpenGL

开源图形库 ，简称 GL。Java 版所使用的图形库。

GLSL

(Open)GL 着色语言 ，顾名思义，它是 OpenGL 的着色器所使用的语言，语法类似 C。

• 其它的图形库还有如 Vulkan，它的着色器语言也是 GLSL；DirectX，它的着色器语言是 HLSL （高级着色语言）。

GLSL 类型

除了 前文 所提到的类型外，GLSL 还有新增了一些数据类型：

• bool ：布尔值，可以是 true (1) 或 false (0)。

  • C 可以使用 stdbool.h 引入这个类型。

• vec<N> ：浮点向量， 是属于区间 的整数，表示该向量的维度。

  • ivec<N> 为整数向量， bvec<N> 为布尔值向量。

  • 例： vec3 ivec4。

  • 在 OpenGL 和 GLSL 中，一个 vec4 类型可以被看做一个 float[4] 类型，但是需要注意：我们声明 float[] 类型的变量时，本质上是声明了一个指针，所以我们不能像 vec<N> 一样直接进行 向量四则运算。

  • 我们可以使用 .xyzw/.rgba/.stpq 来访问向量中特定的分量。

• mat<N> mat<N>x<M> ：浮点矩阵， 、 可以为 的整数，表示该矩阵的大小。

  • mat<N> 表示 大小的矩阵， mat<N>x<M> 表示 大小的矩阵。

  • 例： mat3， mat2x4。

  • 假设我们现在有一个矩阵 mat3 M 我们可以使用 M[1][2] 来访问对应位置上的量。

• sampler<N>D ：样本，可以通过纹理采样函数来获取样本的信息， N 可以为 的整数，表示该样本的维度。

  • samplerCube ：六面包围盒式的样本。

  • 例： sampler2D。

• 此外，除了 auto （默认）和 const ，GLSL 无法使用其他修饰符。

GLSL 函数

这里列出了一些常用的 GLSL 函数：

• texture(sampler<N>D texture, vec<N> texcoord) ：纹理采样函数

  1. sampler<N>D texture ：与函数维度相等的样本，通常是 纹理。

  2. vec<N> texcoord ：与函数维度相等的向量，通常是 纹理坐标。

     • N 应该一致。

     • 在 GL 上最早使用的纹理采样函数 texture<N>D() 已经弃用，虽然仍可以使用，但是不推荐这样做。

• dot(vec<N> a, vec<N> b)： 点乘。

• cross(vec<N> a, vec<N> b)： 叉乘。

• normalize(vec<N> a)： 归一化。

• smoothstep(float a, float b, float x) ，将 x 从 [a, b] 平滑地映射到 [0, 1]。

纹理／贴图相关

灰度图

仅有一个 颜色通道 的图片。

阴影贴图

Shadow Map ，是深度图的一种，其运作原理大致如下：

1. 从光源视角绘制深度图并从其方向上投射到玩家视角作为距光源的最近距离；

   • 这里所说的最近距离是指从光源出发，沿该点与光源连线上最近可以遇到的物体。

2. 将其与玩家视角里每个像素实际到光源的距离做比较；

3. 如果实际距离比最近距离更大，就是阴影。

   • 由于其算法特性， 阴影精度与阴影贴图分辨率直接挂钩，同时会大幅影响性能。

法线贴图

Normal Map ，偏移物体表面的朝向，这样就可以影响每个纹理像素的光照强度，从而产生额外的表面细节。

• 在计算机渲染中，我们通常使用法线信息与光源方向做 点乘 dot(lightDir, Normal) 来获得该像素被光源照亮的程度，法线贴图在此时的作用就是偏移了 Normal 这个量。所以实际上法线并没有真正偏移表面 ，而只是让该纹理像素的信息被改写。

渲染技术相关

参阅 光影 技术科普

视差遮蔽映射

POM ，简称视差。

• 和法线相似，视差贴图通过偏移表面的采样坐标 ，让玩家从不同角度感觉到表面上某些纹理被其他纹理遮挡，从而创造凹凸的观感，这也是其名字中映射的含义。

基于物理的渲染

PBR ，其核心是渲染方程。

• 一种着色的方法，更准确地表现光线如何与材料性质相互作用。

• 它有一些传统着色中没有考虑到的部分，如能量守恒、 光电效应等。

渲染方程

渲染方程用来描述场景中每个点如何物理地与光照交互，是 PBR 的核心算法。

其中：
表示 着色点；
表示观察方向；
表示光照方向；
表示表面法线；
表示 BRDF （双向反射分布函数），表示表面材质对光照的影响；
表示光源的辐射率函数，表示光照的衰减；
表示着色点的自发光强度；
表示表面方向与光线夹角对光照强度的影响；
表示在法半球所有方向上计算结果的积分。

全局光照

GI 。是直接光照和间接光照的集合。

直接光照

Direct Lighting ，直接来自光源的光照。

• 在 Minecraft 中，通常只有太阳和月亮能提供直接光照，方块光照均是通过光照贴图实现的。

  • 在 体素化 光影（通常伴生光线追踪）中，将光源方块编码进体素之后，也可以作为光源投射直接光照。

• 在计算机图形学中，我们把可以投射阴影贴图的光源称为直接投影光源 ，OptiFine 光影直接支持的直接投影光源有且仅有太阳或（取决于时间）月亮。

间接光照

Indirect Lighting ，直接光照经过物体表面反射或内部散射最终离开物体，并打在周围其他表面上形成的照明效果。

散射

Scattering ，是电子吸收光线（电磁波）能量，再向周围发射电磁波的物理现象。

焦散

Caustic ，经由光滑表面散射产生方向性较强的光线 ，打到其他表面上而成的局部更亮的现象。

• 可以理解为表面光滑度参与影响光线路径之后所形成的间接光照。

• 直接光照受其影响更大。

SSS

此简写包含以下两种概念

次表面散射

模拟光线进入物体后在其内部经过多次散射后射出照亮物体内部的效果，允许某些材质（如纸、树叶、皮肤）的物体透过光线，从而产生更加通透真实的质感。

屏幕空间阴影

由于阴影贴图的精度不足，容易在物体与表面接触的边缘产生锯齿和偏移。屏幕空间阴影就是用于这些地方来补足阴影的效果，因此也称为接触阴影 （Contact Shadow）。

屏幕空间反射

SSR 。采样屏幕上的内容来绘制反射场景，其受限于 屏幕空间。

环境光遮蔽

AO 。间接光照在场景间经过各种反射之后逐渐被场景所吸收和遮挡的效果。

光线追踪

RT ，模拟光子从光源到达表面的过程。

参阅： 光线追踪专题

逆向光线追踪

从摄像机发射每个“光子”，根据光路可逆原理 ，逆向寻找光源。

路径追踪

PT ，使用蒙特卡洛随机采样并模拟光子多次反弹，经由漫反射、镜面反射、折射等直到达到退出条件所最终产生的光照。