真實(shí)感圖形生成技術(shù)

1、2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 1 第七章第七章 真實(shí)感圖形生成技術(shù)真實(shí)感圖形生成技術(shù)真實(shí)感圖形生成技術(shù)涉及到的主要問題l 隱藏線面的消除l 明暗處理l 陰影處理l 紋理處理等2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 2 7.1 7.1 隱藏線面的消除隱藏線面的消除 在用計(jì)算機(jī)生成三維圖形時(shí)，形體的所有部分都將被表示，不管是可見的還是不可見的，這樣的圖形顯示出來形狀是不清楚的，甚至是不確定的。圖1（a）所示是一個(gè)通過棱邊表示的立方體的圖形，如果不消隱不易辨別。通過適當(dāng)刪除不可見的隱藏部分，可以得到表示明確的圖形。圖1（b）是觀察點(diǎn)在立方體的前上方的消隱圖，圖1（c）是觀察點(diǎn)位于立方體的前下方消隱

2、圖，消隱圖表示了明確的立體感形體。圖12022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 3 觀察點(diǎn)確定后，找出并消除圖形中不可見的部分，稱為消隱。經(jīng)過消隱得到的圖形稱為消隱圖。 消除隱藏線和隱藏面是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中一個(gè)較為困難的問題，消隱算法是決定相對(duì)于空間給定位置的觀察者，哪些棱邊、表面或物體是可見的，哪些是不可見的。消隱不僅與消隱對(duì)象有關(guān)，還與觀察點(diǎn)、觀察方向、投影面等的設(shè)置方位有關(guān)。改變這些設(shè)置，物體上某些可見的部分將會(huì)變成不可見，某些不可見的部分又會(huì)變成可見。 雖然各種消隱算法的基本思想有所不同，但它們大多采用了排序和相關(guān)性以提高效率。排序的主要目的是區(qū)分體、面、邊、點(diǎn)與觀察點(diǎn)間幾何距離的遠(yuǎn)近。因?yàn)橐?/p>

3、個(gè)物體離觀察點(diǎn)愈遠(yuǎn)，它愈有可能被另一距觀察點(diǎn)較近的物體部分地或全部遮擋。消隱算法的效率在很大程度上取決于排序的效率。通常利用畫面在局部區(qū)域內(nèi)的相關(guān)性來提高排序過程的效率。2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 4 消隱算法一般可以分為兩類。如果算法是在物體所定義的空間實(shí)現(xiàn)，那么這種算法稱為對(duì)象空間算法；如果算法是在物體投影后的屏幕坐標(biāo)空間實(shí)現(xiàn)，那么這種算法就稱為圖象空間算法。一般說來，對(duì)象空間算法有比較高的精度，而圖象空間算法在精度上受屏幕分辨率的限制，但可以方便地利用圖象空間中各種相關(guān)性獲得較高的計(jì)算效率。7.1.1 7.1.1 凸多面體的消隱算法凸多面體的消隱算法 在消隱問題中，凸多面體是最簡

4、單情形。凸多面體是由多個(gè)凸多邊形平面包圍而成的立體，連接形體上不屬于同一表面的任意兩點(diǎn)的線段完全位于形體的內(nèi)部。對(duì)于單個(gè)凸多面體，背向觀察點(diǎn)的面是不可見面，如圖2所示。因此，只要判斷出這些“朝后面”，即可達(dá)到隱藏面消除的目的。2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 5圖2 構(gòu)成多面體的每個(gè)平面都有其法線。通常規(guī)定法線的方向是由多面體的內(nèi)部指向多面體的外部，稱為“外法線”。2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 6假定在右手坐標(biāo)系中，觀察點(diǎn)位于原點(diǎn)，投影面平行于XY坐標(biāo)平面，以Z軸作為深度坐標(biāo)軸，視線平行于Z軸，如圖3所示，則平面外法線同Z軸方向的夾角，就是外法線同視線的夾角。很顯然，對(duì)于單個(gè)凸多面體，

5、當(dāng)外法線同視線的夾角小于90時(shí)，其平面背向觀察點(diǎn)為不可見面。圖32022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 7設(shè)平面外法線同Z軸方向的夾角為，則cos為單位平面外法線矢量在Z軸上的分量。角同可見性的關(guān)系為： （1）當(dāng) 090 時(shí)，cos0，此面背向觀察者為不可見面。 （2）當(dāng) 90 時(shí)，cos0，此面平行于Z軸，可以認(rèn)為是不可見面。 （3）當(dāng) 90180 時(shí)，cos0，此面朝向觀察者的，為可見面。 設(shè)平面方程為 Ax+By+Cz+D=0法向矢量為 N NAi iBj jCk k則cosC/|N N|。作為判斷依據(jù)，只需要知道cos的正負(fù)號(hào)就夠了。因?yàn)閨N N|恒大于 0，所以cos的符號(hào)由C決定，因此

6、，當(dāng)C0 時(shí)，為可見面。當(dāng)C0時(shí)，為不可見面。2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 8 由于三點(diǎn)可以構(gòu)成一個(gè)平面，和三點(diǎn)可以構(gòu)成兩個(gè)矢量，由兩矢量的叉積可以求出平面的法線。對(duì)于凸多面 體 ， 任 取 構(gòu) 成 平 面 多 邊 形 的 三 個(gè) 相 鄰 點(diǎn)P0(x0,y0,z0),P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2)，按右手規(guī)則確定點(diǎn)的順序，此時(shí)有：)()(0112120112120101yyxxyyxxyyxxyyxxC 為了決定一個(gè)凸多面體的不可見面，對(duì)于每一個(gè)面按上述公式進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)C0時(shí)為不可見面。 對(duì)于單個(gè)凸多面體，該方法可判別出所有隱藏面，因?yàn)槊總€(gè)面或是完全可見，或是完全不可

7、見。對(duì)于其它形體，如凹多面體或由多個(gè)物體組成的復(fù)雜形體，則還需進(jìn)行更多的測(cè)試來檢查是否存在被其它面或其它物體完全或部分遮擋的表面。通常，凸多面體消隱處理可消除一半左右的隱藏面。2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 9n由來：畫家的作畫順序暗示出所畫物體之間的相互遮擋關(guān)系n算法基本思想：1）先把屏幕置成背景色2）先將場景中的物體按其距觀察點(diǎn)的遠(yuǎn)近進(jìn)行排序，結(jié)果放在一張線性表中；（線性表構(gòu)造：距觀察點(diǎn)遠(yuǎn)的優(yōu)先級(jí)低，放在表頭；距觀察點(diǎn)近的優(yōu)先級(jí)高，放在表尾。該表稱為深度優(yōu)先級(jí)表）3）然后按照從遠(yuǎn)到近（從表頭到表尾）的順序逐個(gè)繪制物體。n關(guān)鍵：如何對(duì)場景中的物體按深度（遠(yuǎn)近）排序，建立深度優(yōu)先級(jí)表？7.

8、1.2 畫家算法畫家算法2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 10 深度優(yōu)先級(jí)表的建立是動(dòng)態(tài)進(jìn)行的。假定觀察方向同Z軸同向，則最初可按各面的最小z值排序。但這一初步排序可能出現(xiàn)差錯(cuò)，如圖4所示的情況。圖中盡管面S1的最小z值小于面S2的最小z值，但正確的順序是面S2位于面S1前。因此在實(shí)際將z值最大的面S寫入幀緩沖器之前，需與其它面比較以確定是否在Z方向存在重疊。若無重疊，則對(duì)S進(jìn)行寫入，若存在重疊，則需作一些比較以決定是否有必要重新排序。如果存在兩面相交和循環(huán)遮擋，如圖5中所示的情況，這時(shí)簡單的排序是無法解決問題的，必須求交分割后再進(jìn)行排序。圖4圖52022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 11 下

9、面給出這種算法過程的簡單描述 (1）計(jì)算各面最小z值z(mì)min，并以此值的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，建立初步的深度優(yōu)先表； (2）表空結(jié)束。否則取表中深度最大的面Sn,檢查表中其它各面Sk(k=0,1,.,n-1)與Sn是否在Z方向存在重疊的關(guān)系。存在，記重疊面為Sj轉(zhuǎn)(3)。否則，將Sn寫入幀緩沖器，n=n-1轉(zhuǎn)(2)； (3)檢查Sn是否遮擋Sj，不遮擋則將Sn寫入幀緩存器，n=n-1轉(zhuǎn)(2)。否則，交換Sn和Sj在表中位置，轉(zhuǎn)(2)。如果Sn和Sj已經(jīng)交換過位置，則兩面交叉遮擋，轉(zhuǎn)(4)； (4)用Sn和Sj的交線分割Sn為兩部分，轉(zhuǎn)(1)。 畫家算法的優(yōu)點(diǎn)是簡單，容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是算法中的深度排序計(jì)

10、算量大。2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 122022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 137.2 7.2 簡單光照模型簡單光照模型 - -計(jì)算某一點(diǎn)光強(qiáng)度的模型計(jì)算某一點(diǎn)光強(qiáng)度的模型 當(dāng)光照射到一個(gè)不透明的物體表面時(shí)，部分被反射，部分被吸收并轉(zhuǎn)化為熱。對(duì)一個(gè)透明的表面，部分入射光被反射，而另一部分被透射。其中，反射或透射部分的光使物體可見。如果入射光全部被吸收，物體將不可見，該物體稱為黑體。一物體表面呈現(xiàn)的顏色是由物體表面向視線方向輻射的光能中各種波長的分布所決定的。光能中被吸收、反射或透射的數(shù)量決定于光的波長和物體的表面特性。由于光照射到物體表面產(chǎn)生的現(xiàn)象是很復(fù)雜的，它與光源的性質(zhì)、形狀、數(shù)量

11、、位置有關(guān)，還與物體的幾何形狀、光學(xué)性質(zhì)、表面紋理等許多因素有關(guān)，甚至與人眼對(duì)光的生理與心理視覺因素有關(guān)，我們不可能把這一切都準(zhǔn)確計(jì)算出來。我們將討論計(jì)算光強(qiáng)度的一些較為簡單的方法，這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橛?jì)算物體表面某點(diǎn)處的光強(qiáng)度提供了簡單有效的途徑，并能在許多應(yīng)用場合獲得較好的效果。2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 14模擬物體表面的光照明物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型光照明模型簡單光照明模型亦稱局部光照明模型，其假定物體是不透明的，只考慮光源的直接照射，而將光在物體之間的傳播效果籠統(tǒng)地模擬為環(huán)境光?？梢蕴幚砦矬w之間光照的相互作用的模型稱為整體光照明模型簡單光照明模型2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 157

12、.2.1簡單光照明模型-環(huán)境光 假定物體是不透明的（即無透射光）n環(huán)境光：在空間中近似均勻分布，即在任何位置、任何方向上強(qiáng)度一樣,記為Ian環(huán)境光反射系數(shù)Ka：在分布均勻的環(huán)境光照射下，不同物體表面所呈現(xiàn)的亮度未必相同，因?yàn)樗鼈兊沫h(huán)境光反射系數(shù)不同。n光照明方程（僅含環(huán)境光）： Ie = KaIa Ie為物體表面所呈現(xiàn)的亮度。2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 16n具有不同環(huán)境光反射系數(shù)的兩個(gè)球4 . 0aK8 . 0aK2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 17簡單光照明模型-環(huán)境光n缺點(diǎn)：雖然不同的物體具有不同的亮度，但是同一物體的表面的亮度是一個(gè)恒定的值，沒有明暗的自然過度。2022-3

13、-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 18簡單光照明模型n考慮引入點(diǎn)光源。n點(diǎn)光源：幾何形狀為一個(gè)點(diǎn)，位于空間中的某個(gè)位置，向周圍所有的方向上輻射等強(qiáng)度的光。記其亮度為Ipn點(diǎn)光源的照射：在物體的不同部分其亮度也不同，亮度的大小依賴于物體的朝向及它與點(diǎn)光源之間的距離.2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 197.2.2簡單光照明模型：-漫反射角度余弦的推導(dǎo)n漫反射n粗糙、無光澤物體（如粉筆）表面對(duì)光的反射n光照明方程n 漫反射的亮度n 點(diǎn)光源的亮度n 漫反射系數(shù)n 入射角漫反射光的強(qiáng)度只與入射角有關(guān)2, 0cosdpdKIIdIpIdK2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 20n將環(huán)境光與漫反射結(jié)合起來n例子2

14、022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 21缺點(diǎn)：對(duì)于許多物體，使用上式計(jì)算其反射光是可行的，但對(duì)于大多數(shù)的物體，如擦亮的金屬、光滑的塑料等是不適用的，原因是這些物體還會(huì)產(chǎn)生鏡面發(fā)射。2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 228.2.3簡單光照明模型-鏡面反射n鏡面反射n光滑物體（如金屬或塑料）表面對(duì)光的反射n高光n入射光在光滑物體表面形成的特別亮的區(qū)域2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 23n理想鏡面反射n觀察者只能在反射方向上才能看到反射光，偏離了該方向則看不到任何光。2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 24n非理想鏡面反射nP為物體表面上一點(diǎn)，L為從P指向光源的單位矢量，N為單位法矢量，R為反射

15、單位矢量，V為從P指向視點(diǎn)的單位矢量 鏡面光滑平面I = Ip K scosna2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 25n鏡面反射nIs為鏡面反射光強(qiáng)。Ip點(diǎn)光源的亮度nKs是與物體有關(guān)的鏡面反射系數(shù)。n為鏡面反射指數(shù)，n越大，則Is隨a的增大衰減的越快。n n的取值與表面粗糙程度有關(guān)。nn越大，表面越平滑（散射現(xiàn)象少，稍一偏離，明暗亮度急劇下降）nn越小，表面越毛糙（散射現(xiàn)象嚴(yán)重）nspsKIIcosnspsRVKII)(或2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 26簡單光照明模型-Phong光照明模型n簡單光照明模型模擬物體表面對(duì)光的反射作用,光源為點(diǎn)光源n反射作用分為n物體間作用環(huán)境光(Am

16、bient Light)n漫反射(Diffuse Reflection)n鏡面反射(Specular Reflection)2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 27簡單光照明模型-Phong光照明模型nPhong光照明模型的綜合表述：由物體表面上一點(diǎn)P反射到視點(diǎn)的光強(qiáng)I I為環(huán)境光的反射光強(qiáng)Ie、理想漫反射光強(qiáng)Id、和鏡面反射光Is的總和。)()(nsdpaasdeRVKNLKIKIIIII2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 28 另外，反射光強(qiáng)度還和物體與點(diǎn)光源的距離d的平方成反比，即物體離光源愈遠(yuǎn)，顯的愈暗。因此，若要得到真實(shí)感的光照效果，在光照明模型中必須考慮這一因素。然而，若采用因子1

17、/d2來進(jìn)行光強(qiáng)度衰減，簡單的點(diǎn)光源照明并不總能產(chǎn)生真實(shí)感的圖形。當(dāng)d很小時(shí)，1/d2會(huì)產(chǎn)生過大的強(qiáng)度變化，而d很大時(shí)反射光強(qiáng)度項(xiàng)將無意義。另外，人對(duì)物體的視覺也同視點(diǎn)與物體的距離有關(guān)，因此綜合考慮，可以用以下修正公式，它是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取同距離的關(guān)系為線性衰減。 IkaIaIp(kd(N NL L)ks(R RV V)n)/(d+K)常數(shù)項(xiàng)K為一調(diào)整常數(shù),它的存在可以防止當(dāng)d很小時(shí)1/d值太大。2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 29n對(duì)物體表面上的每個(gè)點(diǎn)P，均需計(jì)算光線的反射方向。為了減少計(jì)算量，假設(shè)：n光源在無窮遠(yuǎn)處，L為常向量n視點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處，V為常向量n（HN）近似（RV），H為L與V的

18、平分向量LRaVbH-L和V的角平分線NH 對(duì)所有的點(diǎn)總共只需計(jì)算一次H的值，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 30P PL LN NH HR RV VPhong模型幾何IkaIaIp(kd(NL)ks(NH)n)/(d+K)2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 317.2.4 7.2.4 多點(diǎn)光源和顏色多點(diǎn)光源和顏色 若存在多個(gè)點(diǎn)光源，則物體表面上的反射光強(qiáng)度是各個(gè)點(diǎn)光源照射效果的線性相加，這時(shí)光照模型為： IkaIa (kd(N NL Li)ks(N NH Hi)n) 其中，m為點(diǎn)光源的數(shù)目。miiiliKdI12022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 32n例子：其中a圖：線框圖

19、 b圖：環(huán)境光c圖：增加漫反射 d圖：增加鏡面反射e圖：增加光的衰減 f圖：兩個(gè)點(diǎn)光源2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 33n產(chǎn)生彩色n選擇合適的顏色模型-RGB模型n為顏色模型中的每一種基色建立光照明方程)/()()()/()()()/()()(kdHNKNLKIKIIkdHNKNLKIKIIkdHNKNLKIKIInsdBpBaBaBBnsdGpGaGaGGnsdRpRaRaRR2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 34光滑著色n分類：均勻著色與光滑著色n均勻著色方法：任取多邊形上一點(diǎn)，利用光照明方程計(jì)算出它的顏色，用這個(gè)顏色填充整個(gè)多邊形適用場合：1）光源在無窮遠(yuǎn)處；2）視點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處；

20、3）多邊形是物體表面的精確表示；2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 35n缺點(diǎn)：產(chǎn)生的圖形效果不好。n如左圖：相鄰兩個(gè)多邊形的法向不同，計(jì)算出來的顏色也不同，因此造成整個(gè)物體表面的顏色過渡不光滑。n如何解決？n光滑著色，亦稱插值著色Gouraud著色方法Phong著色方法2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 36Gouraud著色方法nGouraud于1971年提出，又被稱Gouraud明暗處理n基本思想：在每個(gè)多邊形頂點(diǎn)處計(jì)算顏色，然后在各個(gè)多邊形內(nèi)部進(jìn)行線性插值，得到多邊形內(nèi)部各點(diǎn)顏色。即它是一種顏色插值著色方法。n注意：Gouraud著色方法并不是孤立的處理單個(gè)多邊形，而是將構(gòu)成一個(gè)物體表

21、面的所有多邊形（多邊形網(wǎng)格）作為一個(gè)整體來處理。2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 37Gourand 著色方法n對(duì)多邊形網(wǎng)格中的每一個(gè)多邊形，Gourand 著色處理分為如下四個(gè)步驟：n步驟1、計(jì)算多邊形的單位法矢量2、計(jì)算多邊形頂點(diǎn)的單位法矢量 2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 38Gourand 著色方法3、利用光照明方程計(jì)算頂點(diǎn)光強(qiáng)（顏色）4、對(duì)多邊形頂點(diǎn)光強(qiáng)（顏色）進(jìn)行雙線性插值，獲得多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的光強(qiáng)（顏色）2022-3-3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿 39Gourand 著色方法-光強(qiáng)插值n雙線性光強(qiáng)插值：假設(shè)待繪制的三角形投影為P1P2P3,Pi的坐標(biāo)為(xi,yi),i=1,2,3；一條掃描線與三角形的兩條邊分別交于A(xA,yA),B(xB,yB)兩點(diǎn)。P(x,y)是AB上的一點(diǎn)。A點(diǎn)的顏色I(xiàn)A由P1、P2點(diǎn)的顏色I(xiàn)1、I2線性插值得到BABAAABBPB