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電腦圖像詞彙表

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猶他茶壺（Utah teapot）；呢個 3D 模型喺電腦圖像學當中成日俾人攞嚟做例子[1]。

以下係電腦圖像（粵音：Din6 nou5 tou4 zoeng6，英文簡稱 CG）上常用嘅詞彙一覽。電腦圖像可以泛指用電腦方法整出嚟嘅圖像或者視像。整電腦圖像呢家嘢可以複雜得好交關，會用到多種軟件，當中整電腦動畫仲成日會用到程式編寫嘅技術，要求設計者對相關嘅演算法有返咁上下熟[2][3]。

基本概念

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呢幅圖左邊嗰橛壓縮得勁啲，睇得出嗰橛嘅質素明顯冇咁好。
内文：電腦圖像
睇埋：幾何學、解析幾何同坐標系統
  • 幾何學：研究空間同形狀等概念嘅數學子領域，好似係坐標系統同埋計啲幾何物體嘅大細嗰啲方程式，冚唪唥都係嚟自幾何學研究嘅；响廿一世紀初嘅 CG 界，幾何學係不可或缺嘅知識，例如 Blender 等嘅 CG 軟件全部都係用坐標系統（睇埋解析幾何）嚟表示啲 3D 模型嘅位置嘅[4]。
  • 解像度（resolution）：一種反映一幅圖像「有幾精細」嘅指標；一幅圖或者一個畫面嘅解像度會以 闊 × 高 噉嘅形式表示，當中闊度同高度嘅單位都係像素，例如 1024 × 768 就表示幅圖或者個畫面 1024 粒像素咁闊 768 粒像素咁高。像素嘅數量愈多，幅圖就愈能夠精細[5]。
  • 圖像檔案格式（image file format）：處理數碼圖像嘅檔案格式；一套圖像檔案格式會以特定嘅方法將有關「幅圖像係乜樣」嘅資訊儲喺記憶體裏面，而唔同格式各有優劣，有啲可能會（例如）將檔案壓縮得勁啲，能夠令整出嚟嘅檔案慳位啲但同時會搞到最後個檔案冇咁高質。廿一世紀初多人用嘅圖像檔案格式包括 PNG、JPEG 同 GIF 呀噉[6]。
  • 實時電腦圖像（real-time CG）同幀率（frame rate）：指實時噉行嘅 CG；實時運算簡化講即係喺某啲緊湊嘅時間限制下行運算​——​例如視像遊戲就係實時 CG 嘅一個出名例子，行緊個遊戲程式嘅電腦要係噉按玩家畀嘅 input 計出跟住落嚟要顯示乜圖像，想像玩家撳咗掣要玩家角色向前行一步，隻遊戲顯示嘅畫面有必要跟住變化，而因為玩家可以喺一秒內撳成閒閒哋幾個掣咁多，所以部機就要係噉進行快速運算，計下一刻要顯示乜圖像[7]。
    • 喺 2020 年代，一隻會攞出街賣嘅遊戲閒閒哋會去到成 60 FPS（即係每秒顯示 60 幅唔同嘅影像），所以一部遊戲機或者畀人攞嚟打機用嘅 PC 要以極高速係噉計「下一刻要顯示乜圖像」[8]。
  • 粒子系統（particle system）：用嚟整粒子效果嘅 CG 用演算法，可以用嚟製作煙、雲或者火焰等嘅視覺效果；虛擬碼如下[9]： 
    void setup() { // 設定個背景
  size(640,360);
  ps = new ParticleSystem(); // 系統有若干粒「粒子」。
}
 
void draw() {
  background(255); 
  ps.run(); // foreach 粒子，計佢跟住落嚟會點郁。
}
一團用粒子效果造嘅虛擬火
  • 最細包圍框（minimum bounding box）：幾何學上一個概念，一件幾何物體 嘅最細包圍框係一個「盒」（喺 2D 空間，盒係指長方形），個「盒」達致
    1. 包含晒 嘅所有點，
    2. 有咁細得咁細。
    • 喺應用上，CG 演算法成日會用最細包圍框嚟做一啲「唔使好精確，要做得快」嘅運算。例子可以睇吓碰撞探測[10][註 1]。睇埋包圍體。

幾何變換

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由最下面紅色同藍色嗰兩塊葉度，可以複製出一拃葉，每塊複製嘅葉都係紅葉或者藍葉經過仿射轉換嘅樣。
内文：幾何變換

幾何變換（transformation）喺 CG 上涉及操控圖像同 3D 模型等物體嘅各種屬性（位置或者角度呀噉），嚟到將想用嘅物體移去目標位置或者做某啲特定嘅變形[11]。

  • 移位（translation）：將物體由空間入面嘅一個位置移去另一個​——​例：要做嘅嘢係將一個 3D 模型位移 ，部電腦要將個 3D 模型每隻角嘅 x 坐標加 3，y 坐標加 7，同 z 坐標減 10，達致改變個模型嘅位置。
  • 縮放（scaling）：指將件物體按比例放大 倍​——​例：將 同 之間嘅距離增加 倍，而 同 之間嘅距離等等... 同理。
  • 轉動（rotation）：將件物體喺空間入面旋轉若干角度，部電腦要按旋轉嘅角度同沿乜嘢旋轉嚟計出每隻角嘅新坐標。可以睇吓剛體動力學上講到嘅定向概念。
  • 仿射轉換（affine transformation）：一類嘅幾何變換，泛指變換嗰陣起碼[12]
    1. 保留共線特質，即係如果有拃點喺變換前冚唪唥都喺同一條線上面，變換後佢哋都仲會喺同一條線上面；
    2. 保留線上面啲點嘅距離比例，即係例如有 、 同 三點喺同一條直線上，，轉換過後「」依然仲會成立；

色彩表示

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睇埋：色彩理論

2D 圖像

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内文：2D 電腦圖像

2D 電腦圖像係指 2D 嘅 CG，啲圖（包括用嘅圖像同最後成品）上面嘅點可以攞 2D 向量表達佢哋嘅位置。

  • 點陣圖（raster）：一幅點陣圖由若干粒像素組成；一部電腦所顯示嘅點陣圖每一幅都係由一大拃像素組成，每粒像素都有[13][14]
    1. 個坐標記住佢喺邊個位，同埋
    2. 有一隻色水，[註 2]隻色水係由唔同濃度嘅紅、綠同藍結合形成（例如紅溝藍會出紫），
    • 從而一齊組成一幅圖。
  • 向量圖像（vector graphics）：相對於點陣圖嘅一種圖像記憶法；向量圖像用嘅係一種冇咁靠死記嘅做法：喺向量圖像當中，部電腦會記住幅圖有啲乜嘢形狀同每個形狀喺乜嘢位置（每種形狀都可以用一條數學式表達；睇幾何學），仲有係幅圖每一忽係乜嘢色水，當個用家想睇幅圖像嗰時，部電腦再用呢啲資訊即場砌返幅圖出嚟[15][16]。
  • 精靈圖（sprite）：一啲用嚟「結合埋一齊、並且產生一幅大影像」嘅 2D 圖像[17]。
一隻視像遊戲入面某個角色嘅精靈圖；遊戲程式入面儲住咗描繪個角色企喺度、行緊、跳緊... 等嘅樣嘅精靈圖。

3D 圖像

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内文：3D 電腦圖像
睇埋：景深感知、3D 投影同物件導向編程

整 3D 電腦圖像會用到以下概念。

  • 景深錯覺（illusion of depth）：指人嘅視覺能夠攞住一幅 2D 圖像，判斷圖像入面嘅每件物件「離自己有幾遠」，好似係下面幅相噉，幅相係 2D 嘅，但睇相嘅人往往能夠講得出（例如）「幅相最左邊嗰架車離鏡頭最近」，反映睇相嘅人能夠感受到「幅圖入面嘅唔同物件，分別離自己（鏡頭）有幾遠」；人腦對景深嘅判斷可以受到好多因素左右，簡單例子有「近嘅物件會遮住遠嘅物件，所以如果 A 遮住咗物件 B，A 比較似係喺 B 前面」噉[18]。
事實表明，一個正常健康嘅大人能夠將呢幅圖像睇做一笪 3D 空間。
  • 3D 投影（3D projection）：一大類攞嚟做「用 2D 圖像表達 3D 物體」呢樣工作嘅方法，包括透視投影同平行投影呀噉。
    • 透視投影（perspective projection）：指製作一幅 2D 影像嗰陣，用消失點同「物件望落嘅大細」等嘅技巧，嚟令睇幅 2D 影像嘅人產生一股「幅 2D 圖像係表示緊一笪 3D 空間」噉嘅感覺[19]；廿一世紀初嘅主流 CG 相關軟件都會提供透視投影功能，畀用家用透視投影上嘅概念嚟調較整緊嘅圖像，例如 Blender 就畀用家揀「係咪要用透視投影式嘅角度望整緊嗰個景」[20]。
    • 平行投影（parallel projection）：一大類嘅 3D 投影做法。平行投影會由想像中件物體射啲彼此之間成平行嘅射線；平行投影被指係能夠造出客觀噉描述件物體嘅圖，但因為缺乏景深等嘅原因完全做唔到似真實嘅圖像（尤其係同透視投影比起嚟），所以美術上比較少用[21]。

3D 模型

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一個旋轉緊嘅 3D 模型；個模型由好多個細少嘅簡單立體物件（立方體、錐體等等）組成。
内文：3D 模型

立體模型（3D model），或者叫 3D 模型：指一個（對於部電腦嚟講）用數字呈現嘅 3D 物體，任何 3D CG 嘅嘢都係以 3D 模型做起始點嘅。出名嘅 3D 模型有猶他茶壺同虛擬地球呀噉。

  • 多邊形網格（polygon mesh）：一幅多邊形網格（好似下圖噉）會包含​——​
    1. 若干隻角（vertex，眾數：vertices），角係空間入面一點；
    2. 當中某啲角之間會有邊（edge）；
    3. 如果有拃邊形成咗一塊完整嘅 2D 表面，塊表面就可以做一塊立面（face），面係件 3D 物體睇得到嗰浸表面[22]。
  • 線框模型（wire-frame）：基本上等同多邊形網格，只係冇咗啲立面，淨係展示個模型啲角同邊（好似下圖噉）；喺好多情況下，線框模型都（同多邊形網格比起嚟）會方便用家睇清楚個模型嘅形狀。廿一世紀初嘅 CG 軟件都會畀用家揀用邊種方式（多邊形網格定線框模型）嚟睇個 3D 模型。


  • 多邊形：用嚟衡量啲 3D 模型有幾複雜嘅指標，如果話一個 3D 模型多邊形多，即係話個模型有好多塊表面，正路就表示個模型望落多細節[23]。
  • 細節層次（level of detail，LOD）：指一個 3D 模型嘅表示有幾複雜；例如想像家陣有個 3D 模型，設計者將個程式設計成「如果用家近睇個模型，就將個模型啲多邊形完全顯示嗮出嚟（LOD 高）；而如果用家遠睇個模型，就將個模型簡化（少噉咗多邊形）噉顯示（LOD 低）」噉嘅樣，噉就可以避免部機要做啲不必要咁仔細嘅運算，慳返運算上用嘅時間[23][24]。可以睇埋軟件最佳化嘅概念。
細節層次嘅展現
圖例 A finely tassellated wireframe sphere featuring over 5000 sample points. A highly tassellated wireframe sphere, almost 2900 points. A wireframe sphere with roughly 1600 sample points. A wireframe sphere with almost 700 vertices, good when viewed from a distance. A wireframe sphere with less than 150 sample points but still enough for far away objects.
角嘅數量 ~5500 ~2880 ~1580 ~670 140
Notes 最高細節層次 最低細節層次
一個電子遊戲虛擬世界嘅天盒

角色模型

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睇埋：虛構角色
綠色線係個角色嘅「骨」。
  • T-姿勢（T-pose）：一般係遊戲角色嘅 3D 模型嘅預定姿勢；喺一個 3D 嘅遊戲程式入面，每個遊戲角色都會有個 3D 模型代表佢，而個程式內部多數會將佢個姿勢預設成「企喺度，雙手向外伸直」（由前面睇好似英文字母「T」噉），喺個角色要做動作嗰陣先郁手改變佢個模型嘅姿勢[26]。
  • 骨骼動畫（skeletal animation）：指一個角色嘅 3D 模型分做兩部份​——​表面同「骨架」；個 3D 模型嘅骨架會一條條隱形嘅線；骨架一般會穿透個模型嘅四肢、頸同手指等需要拗彎嘅部份；當一個整電腦動畫想個 3D 模型做唔同嘅動作嗰陣，需要做嘅就係向部電腦下指令，叫部電腦（例如）手腕接住嗰兩條「骨」向某個方向轉咁多咁多角度[27]。
  • 逆運動學（inverse kinematics）：一種演算法，做嘅係攞一條條運動鏈（例如係一個角色嘅 3D 模型嘅骨架），睇吓條鏈嘅最尾端要擺喺邊，再計吓條鏈嘅其餘部份需要擺喺乜位同埋成乜嘢角度[28]；舉例說明，想像有隻視像遊戲，家陣個玩家角色企咗喺一塊唔平嘅表面（例如遊戲世界入面嘅樓梯）上面，左腳下面嘅地板高度上同右腳下面嘅地板唔同，如果隻遊戲唔做逆運動學，會搞到個角色一係其中一隻腳企喺空氣上面，一係其中一隻腳 clip 咗入去塊地嗰度；逆運動學演算法做嘅係攞嗰兩隻腳，計吓個角色嘅膝頭分別要拗彎幾多度，先可以令個角色兩隻腳板都係啱啱好掂到地嘅[29]。
  • 布公仔物理（ragdoll physics）：一種電腦動畫技術，指教部電腦處理一個角色嘅 3D 模型點樣跌低倒地（好似一個跌落地嘅公仔噉）嘅物理模擬；布公仔物理喺視像遊戲當中成日用到​——​喺廿一世紀初嘅 3D 視像遊戲當中，一個虛擬角色死嗰陣，通常會用布公仔物理嚟控制個角色嘅 3D 模型倒地[30]。

彩現

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一幅用光線追蹤造嘅圖像
内文：彩現
睇埋：彩現引擎

彩現（rendering）係指運用電腦程式由一柞 3D 模型嗰度整一幅 2D 影像出嚟嘅過程，係 CG 製作上最基本嘅工序之一。

  • 圖像管道（graphics pipeline）：指定彩現嘅步驟嘅理論模型。
  • 景檔案（scene file）：一個景檔案會包含咗多種資訊，包括係「個景入面用咗啲乜嘢 3D 模型」、「每個模型喺邊個位」、「光源喺邊」、「鏡頭擺喺邊個位置」同埋幾何變換呀噉，描述個景係點嘅；然後部電腦會將呢個檔案入面嘅數據傳去一個彩現程式度[31][32]。
  • 光照圖（lightmap）：3D CG 上會用嘅一種數據結構；部電腦事前計好一個景檔案每一塊表面有幾光，將呢樣資訊儲起嚟俾彩現程式用[33]。
  • 虛擬鏡頭（virtual camera）：3D 電腦圖像入面會用嘅程式系統；呢個系統會負責控制一個（或者一拃）鏡頭，個鏡頭喺虛擬世界入面會有個位置，鏡頭所見到嘅影像會係用家所見到嘅嘢[34]。
    • 順帶一提，鏡頭系統嘅設計好多時係電子遊戲設計嘅一個重要部份，例如恐怖生存遊戲名作《生化危機系列》（Biohazard）嘅某啲作品就用咗特別嘅做法，無論玩家角色企邊，鏡頭都淨係影住個景嘅某一個角度，搞到玩家成日睇唔到角落頭有啲乜​——​被指係反而增強咗懸疑同恐怖嘅感覺[35]。
    • 視體（view frustum）：指一個虛擬鏡頭會影到嗰笪空間。下圖左下角黑色嗰嚿嘢係鏡頭，笪有色空間就係個鏡頭嘅視體。
  • 光效（lighting）
  • 光線追蹤（ray tracing）：彩現上嘅一種演算法；個 CG 程式會模擬物理學上嘅光，假想有光由光源嗰度射出，並且計出每條光線會由乜嘢表面反射（同埋反射咗之後變成乜嘢顏色），最後進入個鏡頭度變成咩樣；喺廿一世紀初，呢種做法（同掃描線彩現比起嚟）可以創造出好迫真嘅 CG，但運算量好大，所以好多時會造成要嘥好多時間做彩現[36]。
  • 掃描線彩現
  • 遮擋剔除
  • 彩現農場（render farm）：要（例如）播一啲有高質 CG 嘅戲嗰陣，部電腦就要高速噉做極大量嘅運算，而呢啲噉嘅運算普通嘅電腦好多時都做唔嚟，可能會 lou1 成幾日先至出到一格；彩現農場就係一啲高性能嘅電腦叢集，專門用嚟高速噉做彩現嘅；做拍戲等工作嘅人成日都會用到彩現農場[37]。

電腦動畫

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内文：電腦動畫
呢位工作人員戴住啲感應器喺身，準備做出動畫製作人員想要嘅動作。
  • 動作捕捉（motion capture，簡稱 mocap；粵拼：mou1 kep1）：一種技術，用嚟同角色嘅 3D 模型整動畫；用 mocap 整動畫嗰時，製作人員會叫個受過訓嘅人員戴啲感應器喺身，戴住感應器嘅人跟住就會做出各種動作，途中每個感應器會將佢自由「每點時間喺咩位置」噉嘅資訊傳返去電腦度，然後製作人員就可以叫部電腦將角色嘅 3D 模型嘅各忽對應落相應嘅感應器數據度（例如角色 3D 模型嘅手踭，會對應個人員嘅手踭），就會令到角色嘅 3D 模型做出好似真人噉嘅動作[38]。

拉雜相關

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睇埋：視像遊戲

睇埋

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註釋

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  1. ↑ 要計「同坐標軸平行」嘅最細包圍框唔係咁簡單。
  2. ↑ 如果用紅綠藍色彩模式

引咗

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  1. ↑ Lehmann, A. S. (2012). Taking the Lid off the Utah Teapot Towards a Material Analysis of Computer Graphics. Zeitschrift für Medien-und Kulturforschung, 2012(1), 169-184.
  2. ↑ What is Computer Graphics?, Cornell University Program of Computer Graphics. Last updated 04/15/98.
  3. ↑ Foley, J. D., Van, F. D., Van Dam, A., Feiner, S. K., Hughes, J. F., Hughes, J., & Angel, E. (1996). Computer graphics: principles and practice (Vol. 12110). Addison-Wesley Professional.
  4. ↑ Marsh, D. (2005). Applied geometry for computer graphics and CAD. Springer Science & Business Media.
  5. ↑ Robin, Michael (2005-04-01). "Horizontal resolution: Pixels or lines". Broadcast Engineering.
  6. ↑ Wiggins, R. H., Davidson, H. C., Harnsberger, H. R., Lauman, J. R., & Goede, P. A. (2001). Image file formats: past, present, and future. Radiographics, 21(3), 789-798.
  7. ↑ Wolf, Mark J. P. (2008). The Video Game Explosion: A History from PONG to Playstation and Beyond. ABC-CLIO. p. 86.
  8. ↑ 9 Games That Really Showcase The Difference Between 60 & 30 FPS. Game Rant.
  9. ↑ Chapter 4. Particle Systems 互聯網檔案館嘅歸檔，歸檔日期2020年6月2號，.. The Nature of Codes.
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  18. ↑ Howard, Ian (2012). Perceiving in Depth. New York: Oxford University Press.
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  27. ↑ Forstmann, S., Ohya, J., Krohn-Grimberghe, A., & McDougall, R. (2007, August). Deformation styles for spline-based skeletal animation. In Symposium on Computer Animation (pp. 141-150).
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