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[游戏开发]图形1.2 学习shader需要的数学基础(知识梳理) |
前言:省略内容:高中数学向量基本定义相关,和三角函数相关 相关链接:GAMES101-现代计算机图形学入门-闫令琪_哔哩哔哩_bilibili ???????????????? 【技术美术百人计划】图形 1.2.1 向量基础_哔哩哔哩_bilibili ?????????????????? 《unity shader入门精要》(纸质书) ?大概零零散散划水摸鱼学习了:《games101》课程2-8,百人1.2,shader第四章,是一个小小的总结,不会打数学公式所以戳了图。(是知识点总结,相关公式推导和公式理解请移步《games101》和书) 笛卡尔坐标系在unity中的使用:观察空间使用的坐标系:右手坐标系,(xyz轴分别对应rgb(红绿蓝三色))其余时候为左手 ?????????????? 在观察空间中(以摄像机为原点的坐标系),该坐标系中,摄像机的前向是z轴的负方向。z轴越小,物体的深度越大,离摄像机越远。(坐标值减小=场景深度增加) 点与矢量:? 点与矢量的概念区分:?????? 点:有位置无方向 ?????? 向量:无位置有方向 (任何一个点都可以看作是从原点出发的向量) 矢量的运算?????? 点积:??????? 满足:交换律,结合律,分配律(高中数学所学,相关细节省略) ?????? 点乘结果描述了两个向量的“相似”程度,点乘结果越大,夹角角度越小,两个向量越接近 ?????? 叉积:(不满足交换律,结合律) ??????????叉乘常应用于判断向量是否在面内(z垂直),和在左右的位置(右手定则) ?? 矩阵 ???? 定义:由m·n个标量组成的长方形数组(矢量可以看作n x 1的列矩阵或者1 x n 的行矩阵) 矩阵的运算:?? 基本运算?????? 矩阵x标量(矩阵里面的数分别于标量相乘) ??????? kM=Mk ?????? 矩阵x矩阵 ???????? 前提:矩阵A(r行n列),矩阵B(n行c列),才可乘 (即第一个矩阵的列数必须和第二个矩阵的行数相同) ?(计算小技巧:算什么,找什么,对应行x对应列,例如:得到2x2第1行第1列的数:即找A中第1行与B中第1列,依次相乘,再相加,即:1x3+0x2+2x1=5) ??? 连续的矩阵乘,为右乘(从右往左乘) 特殊的矩阵????? 方阵:形如3x3,4x4的矩阵(行列数相等的矩阵) ????????? 对角矩阵:元素都排列再方阵的对角线上的矩阵 ??????????????? 单位矩阵:对角矩阵中元素都为1的矩阵 ???? 转置矩阵:将矩阵的行列互换得到的新矩阵称为转置矩阵,转置矩阵的行列式不变。 ????????????? 转置矩阵的性质:矩阵转置的转置为原矩阵 ? 矩阵串接的转置等于反向串接各个矩阵的转置 ?逆矩阵:(一种特殊方阵)???????????? 即:设A是一个n阶矩阵,若存在另一个n阶矩阵B,使得: AB=BA=E ,则称方阵A可逆,并称方阵B是A的逆矩阵(其中E为单位矩阵) ??? 如果一个矩阵有对应的逆矩阵,我们就说这个矩阵是可逆的,或者说是非奇异的,相反,如果一个矩阵没有对应的逆矩阵,我们就说它是不可逆的,或者说是奇异的 ???????? 性质1:逆矩阵的逆矩阵就是原矩阵 ???????? 性质2:单位矩阵的逆矩阵就是它本身 ???????? 性质3:转置矩阵的逆矩阵是逆矩阵的转置、 ???????? 性质4:矩阵串接相乘后的逆矩阵等于反向串接各个矩阵的逆矩阵 逆矩阵的应用:用于还原变化操作 正交矩阵??????? 如果一个方阵M和它的转置矩阵的乘积是单位矩阵,我们则说该矩阵M为正交矩阵 矩阵的几何意义:变换 常见变换类型线性变换,放射变换 矩阵的变换(引入齐次坐标的概念和变换推导过程见《games101》,transformationt小节,这里仅总结结论) ?(图中缩放矩阵逆矩阵第三行有误,数值应在第三列) 旋转变换 ?矩阵复合变换:先缩放再旋转最后平移MVP矩阵?? MVP矩阵分别为模型(model)观察(view)投影(projection)三个矩阵,我们的顶点坐标起始于局部空间(local space),在这里它称为局部坐标(local coordinate),之后变为世界坐标(world coordinate),观察坐标(view coordinate),裁剪坐标(clip coordinate),并以屏幕坐标(screen coordinate)的形式结束。(1.1也有流程相关介绍) ? 观察空间?? 也被称为摄像机空间,可以仍为是所有模型中有一个特殊的模型,即摄像机。它的模型空间值得我们探讨,即观察空间。 ??? 观察空间中+x轴指向右方,+y指向上方,+z指向后方 注意:观察空间是一个三维空间,而屏幕空间是一个二维空间。从观察空间到屏幕空间需要进行转换,即投影 观察变换:即顶点坐标从世界空间变换到观察空间的过程 裁剪空间??? 顶点接下来要从观察空间转换到裁剪空间(齐次裁剪空间)这时用于变换的矩阵被称为裁剪矩阵或投影矩阵 ? 裁剪的目的:能够方便地对渲染图元进行裁剪(完全位于这块空间内部的图元会被保留,完全位于这块空间外的图元会被踢出,边界的图元会被裁剪。)视锥体(view frustum)决定裁剪范围 ?? 视锥体:指空间中的一个区域,该区域决定了摄像机可以看见的空间。它由六个平面包围而成,这些平面被称为裁剪平面。 ? 投影矩阵可以理解为一个空间的降维,为投影做准备。 ?屏幕空间??? 需要进行:齐次除法和屏幕映射 ?变换流程小结??? |
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