光柵化（Rasterization）是計算機圖形學中將連續的幾何圖形（如三角形、直線等）轉換為離散像素的過程，最終在屏幕上形成圖像。

一、光柵化的核心比喻

1. 像畫家在畫布上作畫 假設你是一個畫家，要把一個3D立方體畫到2D畫布（屏幕）上。你需要將立方體可見的每個面分解成小色塊（像素），并確定每個色塊的顏色。光柵化就是這個“分解并填色”的過程，只不過計算機通過數學計算自動完成。

2. 拼圖游戲 光柵化類似于將一幅完整的拼圖分解成無數小拼圖塊（像素），然后根據原圖規則給每個小拼圖塊上色，最終拼出完整畫面。

3. 光柵設備的原理 屏幕像一塊由橫向和縱向柵格組成的“捕魚網”（光柵），光柵化的過程就像用這些柵格過濾光線，只允許特定方向的光通過，從而形成圖像（例如液晶顯示器的工作原理）。

二、光柵化的具體步驟

1. 輸入幾何圖元 光柵化處理的基本單位通常是三角形（因為三角形是平面且無歧義的幾何形狀），輸入數據包括三角形的頂點坐標、顏色、紋理等信息。

2. 投影到屏幕空間 通過矩陣變換將3D模型映射到2D屏幕坐標系，類似于用相機拍攝物體后得到平面照片的過程。這一步會剔除視錐外的不可見部分（如相機背后的物體）。

3. 分解為像素并判斷覆蓋關系 計算機遍歷屏幕上的每個像素，判斷其中心點是否在三角形內部。例如，通過叉乘計算三個邊的方向與點到邊的關系，若所有方向一致，則點在三角形內。

4. 顏色插值與混合 若像素被覆蓋，則根據頂點顏色或紋理坐標進行插值計算（如三角形的三個頂點是紅、綠、藍，中間像素會漸變過渡），同時處理透明度和遮擋關系（如使用深度緩沖Z-buffer）。

5. 輸出到屏幕 最終將所有像素的顏色存入幀緩沖區（Frame Buffer），顯示器逐行掃描這些數據形成圖像

三、光柵化中的關鍵問題與解決

1. 鋸齒（走樣） 由于像素是離散的，斜線或曲線邊緣會出現鋸齒。例如，樓梯狀的斜線邊緣看起來不平滑。

   解決方法：
   1. 多重采樣（MSAA）：對每個像素多次采樣并混合結果，平滑邊緣。
   2. 抗鋸齒：先對圖像進行模糊（低通濾波），再采樣，減少高頻信號帶來的鋸齒感。

2. 性能優化

   • 包圍盒（Bounding Box）：僅處理三角形覆蓋的像素區域，減少無效計算。
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   • 深度測試（Z-Buffer）：通過記錄像素的深度值，避免繪制被遮擋的物體。

四、現實中的光柵化應用

• 游戲渲染：實時生成逼真的3D場景，例如《少年派的奇幻漂流》中的虛擬老虎。
• UI界面：手機、電腦屏幕的顯示均依賴光柵化技術。
• 科學可視化：將復雜數據（如氣象模型）轉化為直觀的2D圖像。

光柵化是計算機圖形學的基石，通過將連續幾何離散化為像素，讓虛擬世界得以在屏幕上“活”起來。其核心邏輯是“分解-判斷-填充”，結合數學計算與硬件加速，實現高效渲染。