42 | WebGL介绍（六）：了解在WebGL中裁剪空间是如何裁剪出来的

在WebGL这一强大而灵活的图形API中，裁剪空间（Clip Space）是一个至关重要的概念，它决定了哪些顶点数据最终会被渲染到屏幕上，哪些则会被丢弃。这一章节将深入探讨WebGL中裁剪空间的工作原理，包括其定义、作用、裁剪规则以及如何通过变换矩阵将顶点数据从模型空间、世界空间、观察空间（视图空间）最终转换到裁剪空间。

一、裁剪空间概述

在3D图形渲染管线中，裁剪空间是顶点着色器输出的顶点数据进入光栅化阶段之前的最后一个空间。在这个空间里，顶点数据会经过一系列裁剪测试，以确保只有位于视锥体内的部分才会被进一步处理并绘制到屏幕上。视锥体（Viewing Frustum）是一个由近裁剪面和远裁剪面以及六个侧裁剪面（上、下、左、右、前、后）定义的立体空间，它定义了相机可以“看到”并渲染到屏幕上的区域。

二、裁剪空间的数学基础

裁剪空间的建立依赖于齐次坐标系统和裁剪矩阵（Projection Matrix）。在WebGL中，顶点数据通常以四维齐次坐标形式表示（x, y, z, w），其中w分量通常用于透视变换中的深度计算。裁剪矩阵负责将顶点从观察空间（通常也称为眼空间或相机空间）转换到裁剪空间。

1. 透视投影与正交投影

• 透视投影：用于模拟人眼观察世界的方式，远处的物体看起来比近处的物体小。透视投影矩阵会将观察空间中的顶点转换到裁剪空间，同时应用透视除法（即将顶点坐标的x、y、z分量分别除以w分量），以实现透视效果。
• 正交投影：用于生成不受透视影响的视图，如CAD绘图或2D游戏场景。正交投影矩阵同样将观察空间中的顶点转换到裁剪空间，但不进行透视除法，因此所有物体的大小和形状在屏幕上保持不变，与它们的距离无关。

2. 裁剪矩阵的生成

无论是透视投影还是正交投影，裁剪矩阵的生成都依赖于几个关键参数：视场角（FOV）、宽高比（Aspect Ratio）、近裁剪面距离（Near Plane）、远裁剪面距离（Far Plane）等。这些参数定义了视锥体的形状和大小。

• 透视投影矩阵：通过视场角、宽高比、近裁剪面和远裁剪面距离计算得出，能够模拟真实的透视效果。
• 正交投影矩阵：主要依赖于窗口的宽度、高度、近裁剪面和远裁剪面距离，生成的视锥体是一个长方体，不产生透视变形。

三、裁剪过程

在裁剪空间中，顶点数据会经过一系列裁剪测试，以决定其是否位于视锥体内。这些测试通常包括：

• x、y、z裁剪测试：检查顶点是否位于视锥体的六个侧裁剪面之外。
• w裁剪测试：在透视投影中，w值用于计算透视深度，并帮助确定顶点是否在近裁剪面之前或远裁剪面之后。

如果顶点完全位于视锥体外部，则会被直接丢弃。如果顶点部分位于视锥体内，则需要进行裁剪操作，即计算并保留位于视锥体内的顶点部分。裁剪过程可能涉及复杂的几何计算，但在WebGL中，这些计算通常由GPU硬件自动完成，以提高渲染效率。

四、裁剪空间的优化与应用

裁剪空间的存在不仅提高了渲染效率（通过减少不必要的渲染工作），还使得开发者能够更精细地控制场景的可见性。以下是一些优化和应用裁剪空间的策略：

• 视锥体裁剪：通过动态调整视锥体的参数（如FOV、Aspect Ratio、Near/Far Planes），可以优化特定场景或对象的渲染性能。
• 层次细节（LOD）：结合裁剪空间信息，可以实现层次细节技术，即根据物体与相机的距离动态调整物体的渲染细节，以减少渲染负担。
• 遮挡剔除：利用深度缓冲区或遮挡查询技术，可以进一步减少被遮挡物体的渲染，提升渲染性能。

五、总结

WebGL中的裁剪空间是图形渲染管线中的一个关键环节，它通过将顶点数据从观察空间转换到裁剪空间，并应用一系列裁剪测试，确保了只有位于视锥体内的部分才会被进一步处理并绘制到屏幕上。理解裁剪空间的工作原理及其优化策略，对于开发高性能的WebGL应用至关重要。

在本章中，我们详细探讨了裁剪空间的定义、数学基础、裁剪过程以及优化和应用策略。通过掌握这些知识，你将能够更好地利用WebGL进行复杂的3D图形渲染，并创造出令人惊叹的视觉效果。