UNIT 06渲染约 24 分钟 · 核心线
游戏里的画面是怎么「作弊」算出来的？
红魔 v3 的机甲，盔甲上的反光一块黑一块白，边上还发虚。你看完问：「那些反光，你是用光栅还是光追的？会不会光追更好？还是说这是材质贴图导致的bug」C20。这一课把前半句答清楚：光栅化是怎么画画面的，它为什么快，它的反射为什么会怪。
06 · 1每个像素追一条光，够不够快？
屏幕是一格一格的像素（第 1 课）。要知道某一格该涂什么颜色，最直接的办法是：从相机出发，穿过这一格射一条线，看它先碰到谁。场景是三角形拼的（第 3 课），「先碰到谁」就得一个三角形一个三角形地试。算一下账：
1920 × 1080 ≈ 207 万个像素
广州片里的沙面 506 万个三角面 C01
207 万 × 506 万 ≈ 10 万亿次「这条线碰没碰到这个三角形」，一帧
游戏要每秒 60 帧，一帧只有 16.7 毫秒。挨个试当然笨：真正的光线追踪器会先把三角形按位置分组装箱，一条线先问「碰没碰到这一整箱」，没碰到，箱里的三角形一个都不用试。可哪怕这样，每一条线还是要在整个场景里「找」一次。游戏几十年来走的是另一条路：不找。
06 · 2反过来：把三角形投到屏幕上
不从像素出发去找三角形，而是从三角形出发去找像素。三角形的三个角各落在屏幕哪儿，第 2 课的透视已经给了答案：屏幕上的横坐标 ≈ 焦距 × 横向偏移 ÷ 深度。三个角投上去，把它们围住的格子涂上颜色，这个三角形就画完了。
506 万个三角面 × 3 个角 ≈ 1500 万次投影，再把 207 万个像素各涂几遍
每个三角形只碰它自己盖住的格子，谁也不用在场景里找谁。这就叫光栅化（rasterization）：把形状变成一格一格的像素。显卡的硬件就是为它造的。
下面是同一个场景从正上方看的剖面：相机在下，浅蓝的扇形是它拍得到的范围，「画面」只有一排 14 个像素。先看「每个像素追一条光」画出的这一排，再切到光栅化。
- 来自材料
- 光栅化、深度缓冲与子样本的做法（LearnOpenGL、Scratchapixel）；半透明先画不透明、再从远到近混合（LearnOpenGL「Blending」），半透明通常不写深度（Unity 手册 ZWrite）。
- 本实验的设定
- 三维场景在球心高度横切一刀，画面缩成一排 14 格；两种画法用同一组形状：球是 16 条线段围成的（二维里的「三角形拼的」）；这里球先画成灰色，只看每格看到的是谁。
- 它能证明
- 两种画法在「相机直接看到谁」上结果一样：浏览器把两种算法各算一遍，逐格比较（node 探针里 6 个方块位置 × 1/4/16 个子样本，18 组全部相同）。
- 它不能证明
- 两种画法的速度：三个形状看不出一千五百万和十万亿的差别。
切到光栅化，这一排和追光画出来的一模一样。可光栅化是一个形状一个形状画的：墙和球在屏幕上有几格叠在一起，同一格被涂了两次。
显卡先画了近处的金属球，再画远处的白墙。屏幕上两者叠在一起的那几格，最后是什么？
- 白墙：后画的盖住先画的
- 金属球：近的挡住远的，和先画后画无关
- 两种颜色混在一起
是金属球。显卡除了一张画面，还有一张同样大小的表，每一格记着「目前涂在这里的东西离相机多远」。新来一个形状要涂这一格，先比一比：更近才涂上去、改掉记下的距离；更远就不涂。这张表叫深度缓冲（depth buffer），这一比叫深度测试。
所以先画谁都一样。实验台 A-1 的 02 已经打开：关掉深度测试、顺序换成「最后画墙」，第 10 到 12 格的球就被墙盖掉了——那正是「后画的盖住先画的」。猜「混在一起」的，想的是半透明的东西；那种要单独处理，这里的球和墙都不透明。
早年的办法是按远近排好队、从远往近画（画家算法）；两个东西互相穿插时远近说不清，它就错。深度缓冲逐格比，不怕穿插。光栅化画完一帧，手里就有两样东西：一张画面和一张深度缓冲。游戏后面的「作弊」都在这两张表上做文章。
深度测试只比远近，不知道「透明」。一块半透明的玻璃要是也把自己的距离写进深度缓冲，它身后后画的东西就一律被挡掉，玻璃后面空一块。所以游戏先画完所有不透明的东西，再把半透明的按从远到近一层层叠上去：每一层和已经画好的颜色按透明度混合（blending），而且只比深度、不写深度。「先画谁都一样」只对不透明的东西成立。
06 · 3斜边上的台阶
光栅化判断一个形状盖没盖住某一格，看的是这一格正中间那一点：盖住了整格涂满，没盖住一点不涂。斜边穿过的格子只能全有或全无，边上就是一级一级的台阶，叫锯齿（aliasing）。办法是一格里多看几个点（子样本），按盖住的比例取平均，叫抗锯齿（anti-aliasing）。光栅化是多判断几个点盖没盖住，追光是一格多射几条线，结果一样。在 A-1 的 03 里拨到 4 条，看第 6 格：4 条里 3 条碰到球，这一格就是四分之三的球色。
每一格都多算几遍太贵，所以有省法：多重采样（MSAA）每格多记几个子样本「盖没盖住」，颜色却只算一次，所以只磨平几何的边；时域抗锯齿（TAA）不在一帧里多看几个点，而是每一帧把看的那个点在格子里挪一点点，再把前几帧的结果借过来平均，等于把子样本摊到了时间上（「时域」）。UE 5 默认的时域超分（TSR）也是这一类，它还先用低一些的分辨率算、再放大补回细节（「超分」）。
投篮课的铁丝网是一张带透明网眼的贴图，它的透明靠多重采样的子样本来「漏」出网眼。成片按 2 倍像素密度渲（每个像素拆成 2×2 个更细的像素来算，画面更细），那种设置下三维画面没有开多重采样。渲出来的铁丝网会怎样？
- 更清楚：像素更密了
- 网眼没了，变成一堵实心的灰墙
- 和平时一样
变成了一堵实心灰墙，第一次全片渲完才在联系表里发现 C43。贴图里每个像素除了颜色，还存一个不透明度（alpha，网眼处接近 0）。那种透明做法叫 alpha to coverage：用「一格里几个子样本算盖住」来表示不透明度。没有多重采样，一格只有一个样本，就只剩「全盖住」。修法是 2 倍像素密度时改用 alphaTest：不透明度低于 0.4 的地方（网眼）直接不画。猜「更清楚」的，把像素密度和子样本当成了一回事：像素多了，每个像素里的子样本却没了。
06 · 4镜子里映的是什么？
球是镜面金属，它上面某一格的颜色要看从这一格反射出去的线碰到谁。光栅化回答的只是「相机看到谁」；为反射线在整个场景里再找一遍，又回到了第一节的账。
游戏的办法是：画面已经画好了，就在画面里找。从球上这一格出发，沿反射方向一小步一小步走，每一步投回屏幕，查那一格的深度缓冲：线钻到了那一格记下的表面后面，就算碰到了，直接拿那一格的颜色。这叫屏幕空间反射（screen-space reflection，SSR）。
金属球左边、画面外 6 厘米，放着一块红方块。用屏幕空间反射画这个球，球上会映出红方块吗？
- 会，镜面什么都照得到
- 不会
- 会，只是暗一点、糊一点
不会。反射线还没碰到红方块，就先走出了画面；画面外没有深度缓冲可查，什么也找不到。找不到时，游戏拿一张事先拍好的环境图凑数（反射探针），那是只拍了不动的东西的，里面没有这块会动的红方块。
下面上一行是屏幕空间反射算的，下一行是在整个场景里找（路径追踪，下一课）算的。点金属球上的格子，看反射线在哪儿断掉。
- 来自材料
- 屏幕空间反射的做法与盲区：Blender 手册 EEVEE 的「光线追踪」一节（EEVEE 把在画面里一步步找也叫追踪；出了画面退回探针，画面外的东西反射不到）。
- 本实验的设定
- 同一个剖面、单层深度缓冲；每步 8 厘米，钻到表面后面 0.6 米以内算碰到；探针只含白墙和天空。
- 它能证明
- 只在画面里找，画面外的东西就找不到，和步子多大、画面多细无关。
- 它不能证明
- 真实游戏的步长、厚度和探针怎么调。
一分半的导览：屏幕空间反射为什么找不到画面外的东西，方块刚进画面时倒影为什么缺一块、带齿。它会带着下面的三维实验台走一遍，你随时可以接手。
换到三维：左边是光栅化加屏幕空间反射，右边是下一课的路径追踪，当作标准答案。分割线可以拖。红方块默认在画面左边缘外 6 厘米。
- 来自材料
- 左边按游戏引擎的套路做：一块矩形的面光源（像柔光箱）；影子用阴影贴图（先从灯的位置拍一张深度图，画面上的点比灯「看到」的更远，就在影子里）；屏幕空间反射，出画面退回只拍不动物体的反射探针。右边是路径追踪。
- 本实验的设定
- 几何全是简单形状，金属是理想镜面；屏幕空间反射每 1.5 个像素比一次深度，钻到表面后面约 1.5 米以内算碰到。
- 它能证明
- 红方块一离开画面，左边球上的红像素掉到 0，右边一直在（页面实测：画面外 6 厘米时左 0、右 19209 个；进画面 3 厘米时左 5297、右 20369 个）。
- 它不能证明
- EEVEE、UE 的具体效果：它们的步长、厚度、探针更讲究，但画面外那条线谁也越不过去。
把红方块往画面里拖。刚进来两三厘米，左边的倒影冒出来了，却只有一截，上沿还带着一排齿。用刚才的模型想一想为什么。
再往里拖，倒影全了，还比右边胖一圈：深度缓冲里只有方块朝着相机的那两个面，背后有多厚它不知道，只好假定每个表面后面都有一段厚度。反射线从方块背后穿过去，也被当成碰到了，倒影就胖了。画面外的、被挡住的，对它来说是同一件事：这张画面里没有。
这张图里的毛病出在哪一环？先自己诊断一下，再往下看。
回到你那句问话。红魔 v3 的机甲用 EEVEE，渲染脚本里反射设成屏幕空间（ray_tracing_method = 'SCREEN'，EEVEE 把「在画面里一步步找」也叫追踪，但它追的是画面，不是场景），出画面的部分退回一张低清的光照探针（Blender 对反射探针的叫法），边上发虚就是这么来的；盔甲又是近乎镜面的铬，暗场里只映得到几条灯带，于是一块黑一块白。三件事叠在一起，就是那些碎块。v4 把机甲换到 Cycles、铬改成缎面金属、加了大面柔光反射卡，怪反光没了 C20。不是贴图的 bug。
同样的「作弊」不止反射：墙角缝隙里暗下去的那一层（环境光遮蔽，AO），游戏常见的做法也是在深度缓冲里看周围，叫屏幕空间环境光遮蔽（SSAO）。它们都快，也都只知道画面里有的东西。
带走一个问题
游戏里有一段平静的水面，映着对岸的一排楼。镜头慢慢往下压，楼一点点移出画面上边缘。如果水面用的是屏幕空间反射，倒影会怎么变？要让倒影一直在，你会让 AI 改哪一环，要付出什么？
不看上面，写下这一课撞上的几堵墙，再展开对照
- 每个像素追一条光、挨个试三角形 → 一帧十万亿次；反过来把三角形投到屏幕上填格子：光栅化。
- 投上去的形状叠在一起，谁在前？按先画后画 → 错；深度缓冲逐格只留最近的。
- 一格只看正中间一点 → 锯齿；一格多射几条光取平均；靠子样本的透明做法，没了子样本就失效。
- 镜子里映什么？只在画好的画面里找（屏幕空间反射）→ 画面外的、被挡住的都找不到；刚进画面的只找到一截。