数字化转换——三维模型到二维图像的计算机生成流程

在数字时代，三维转二维的过程已高度自动化与智能化，其核心是基于计算机图形学（CG）的一系列算法与管线渲染。这程从三维数字模型的建立开始，到终生成用于屏幕显示、印刷或传播的二维图像结束，广泛应用于影视、动画制作、游戏开发、工业设计可视化及虚拟现实等多个领域。

整个过程可概括为一条标准的图形渲染管线。首先是应用阶段：定义场景（设置摄像机位置、朝向、视野）、布置物体（三维模型，通常由顶点、边、面构成的多边形网格表示）、添加光源并确定材质属性（颜色、纹理、反光度、粗糙度等）。三维模型数据本身携带着物体在自身建模空间中的几何信息。

其次是几何阶段：这是三维到二维转换的计算核心。模型顶点首先经过模型变换（旋转、平移、缩放）放置到世界坐标系中，接着进行视图变换（将世界坐标系转换到以摄像机为中心的观察坐标系）。然后，投影变换隆重登场。与手工绘图类似，计算机主要采用两种投影：平行投影（用于工程制图等需要保持比例的场合）和透视投影（模拟人眼或镜头，产生近大远小的真实感，是娱乐媒体的主流）。透视投影通过一个视锥体定义可见范围，并将视锥体内的三维坐标“挤压”到一个标准化的二维裁剪空间中。进行裁剪和视口变换，将标准化坐标映射到终的屏幕像素坐标系。至此，三维几何信息完成了向二维屏幕位置的数学映射。

接着是光栅化阶段：将经过几何处理的图元（主要是三角形）转换为屏幕上的像素碎片（片元）。这一过程需要解决哪些像素被三角形覆盖，并进行插值计算每个片元的深度、颜色、纹理坐标等属性。

是像素处理阶段：对每个片元执行一系列复杂计算，包括纹理采样（从图片中获取表面细节）、光照计算（根据光源、材质、法线等计算颜色与明暗）、雾效、透明度混合等，终决定该像素的终颜色值，写入帧缓冲区，形成可见的二维图像。

现代渲染技术如光线追踪，通过模拟光线在场景中的物理传播路径（反射、折射、散射），能生成照片级真实感的图像，但其核心目标依然是生成一幅二维画面。这一高度流程化的数字转换，将创作者从繁重的几何计算中解放出来，得以更专注于艺术创意与视觉效果的实现。