3.10 3D 图形（3D Graphics）
3.10.1 3D 投影（3 Dimensional Projection）
3D 中使用 X,Y,Z 三点构成某点的坐标，因 2D 电脑屏幕无法将三轴立体坐标完美展示，故使用某种图形算法来将 3D 坐标“拍平”（flattening）显示至 2D 屏幕上，这称为「3D 投影」（3 Dimensional Projection）。
所有的点都从 3D 转成 2D 后，就可以用画 2D 线段的函数来连接这些点，称为「线框渲染」（Wireframe Rendering）。
3D 投影有许多类别，最常见的是正交投影（Orthographic Projection）和透视投影（Perspective Projection）：
（1）正交投影：立方体的各个边，在投影中互相平行。
（2）透视投影：立方体中的平行线段会在远处收敛于某点。
两种 3D 投影的过程类似，所使用的数学表达方式不同而已，具体采用哪种取决于开发人员。
3.10.2 填充（filling）
多边形(Polygons)
在 3D 图形学中，一般称三角形为「多边形」(Polygons)，这是最常用于构建复杂图形的基本形状，因为它简单——空间中三点定义一个平面。
多个多边形构成的集合称为「网格」（mesh），网格越密，表面越光滑，细节越多，同时也带来更多的计算量。
游戏设计者要平衡画面的真实度和多边形数量，如果多边形数量太多，帧率会下降到肉眼可感知，用户会觉得卡顿。
扫描线渲染 (Scanline Rendering)
扫描线渲染 (Scanline Rendering) 是于 1967 年诞生在犹他州大学的经典填充图形算法。
- 将图形铺上一层像素网格。
- 读取多边形的三个点，找最大和最小的 Y 值，只在这两点间工作。
- 从上往下，一次处理一行。计算每一行和多边 形相交的 2 个点，填满 2 个相交点之间的像素。
- 重复逐行填充，直至底部，填充的速度叫 fillrate（填充速率）。
画家算法（Painter’s Algorithm）
3D 场景中会因多边形的重叠错落而产生遮挡（occlusion）现象，其最直接的处理方法时使用排序算法，从远到近排列，然后从远到近渲染。因画家也是先画背景，故名画家算法（Painter’s Algorithm）。
- 从用到近排序，在有序状态下自最远的多边形开始，使用扫描线算法来填充多边形，一次填充一个。
- 重复填充过程即可，注意实际应用中的多边形未必是如示例中一般与屏幕平行。
深度缓冲（Z-Buffering）
深度缓冲（Z-Buffering）是另一种处理遮挡现象的方式，无需排序，速度更快。这种方法会记录场景中每个像素和摄像机的距离，在内存里存一个数字矩阵。
- 每个像素的距离被初始化为"无限大"，该算法会从列表里第一个多边形开始处理（即多边形 A），将其距离和 Z-Buffer 中存储的距离进行对比，始终记录更新最小值。
- 按照列表继续向下对比第二个多边形的距离，直至列表结束。因未进行排序，故记录距离的 Z-buffer （缓冲区）中多边形 C 只有一部分值会被覆盖。
- 标记完 Z-buffer 后，搭配改进后的扫描线算法使用。加强版扫描线算法不仅可以勘测两线交叉点，还可确认某像素是否在最终场景中可见，如果不可见则跳过。
在两个多边形距离相同时，采用深度缓冲会使得多边形在内存中不断移动，两者访问顺序的先后会不断变化。再加上浮点数的舍入误差问题，究竟是将哪个多边形画在上方，是无法预测的。因此，这种情况下会导致出现 Z-fighting 效果。
背面剔除（Back-Face Culling）
为节约处理时间，忽略多边形背面的处理优化方式，称为「背面剔除」（Back-Face Culling）。比如在游戏角色的头部或是地面，只能够看到朝外的那一面，这会带来一个 bug —— 进入模型后从内部向外看，头部和地面会消失。
3.10.3 抗锯齿（Antialiasing ）
上述例子中三角形填充后边缘都是锯齿，当像素较小时锯齿不明显，但用低配电脑玩游戏时，肯定会出现这种情况。一种减轻锯齿的方法叫抗锯齿(Antialiasing)，其通过判断多边形切过像素的程度，来调整填充颜色。
如果像素在多边形内部，就直接涂颜色；如果多边形划过像素，颜色就浅一些。这样抗锯齿的方法可以实现边缘羽化的效果，在字体和图标中广泛使用。
3.10.4 光照（lighting）
光照（lighting）又名明暗处理（shading），在 3D 场景中的物体表面会有明暗变化，添加灯光后会提高物体的真实感。
以茶壶中 3 个不同位置的多边形为例，其不平行与屏幕，各自面对不同方向，该方向称为「表面法线」（Surface Normal），即下图中垂直于表面的箭头方向。
因表面法线的角度不同，光线反射到观察者的强度也不同，不同多边形被照亮的程度也不同。根据距离光源的位置对不同多边形进行着色的方法，称为「平面着色」（Flat Shading），这是最基本的照明算法（lighting algorithm）。
但平面着色的方法使得多边形的边界非常明显，看起来不光滑。因此出现了更多算法来更巧妙地改变颜色、得到更好地效果，比如高洛德着色（Gouraud Shading）和 冯氏着色（Phong Shading）等。
3.10.5 纹理（textures）
纹理（textures）在图形学中指物品的外观而非手感，与照明算法一样，纹理也可以通过多种算法实现各式效果。其中最简单的一种效果称为「纹理映射」（texture mapping）。
纹理映射是指先将多边形的坐标和纹理坐标对应，在使用“扫描线算法”进行填充时，先查看内存中的纹理图像，后从相应区域取平均颜色，再决定该像素使用什么颜色进行填充。
3.10.6 GPU
每个场景中都是由上百万个多边形构成的，渲染如此多个多边形构成的场景需要大量的计算，而无论多大的场景都是需要这样“扫描线填充, 抗锯齿, 光照, 纹理化”一遍一遍地处理。
为了加速渲染过程，有以下几种方法：
（1）为这种特定运算来做专门的硬件（即 GPU）来加快速度。
（2）把3D场景分解成多个小部分，并行渲染而非按顺序渲染。
图形处理单元（Graphics Processing Unit, GPU）时为图形而生的处理器，其在显卡（Graphics Cards）之上，附有专用的 RAM 使得 GPU 的多个核心可以高速访问相关网格和纹理。
现代显卡，如 GeForce GTX 1080 TI，有 3584 个处理核心，提供大规模并行处理，每秒可处理上亿个多边形。