消隱及真實(shí)感處理技術(shù)

1、觀察空間的定義及轉(zhuǎn)換三維裁剪投影消隱消隱投影光照效果生成投影線框圖消隱圖真實(shí)感圖形三維形體線框圖消隱圖真實(shí)感圖形消隱技術(shù)消隱技術(shù)線框圖的二義性:物體空間的消隱算法物體空間的消隱算法: 物體空間是指物體所在的空間。這類算法是將物體表面的k個(gè)多邊形中的每個(gè)面與其余k-1個(gè)面進(jìn)行比較，精確地求出物體上每個(gè)棱邊或每個(gè)面的遮擋關(guān)系。算法的計(jì)算量正比于k2。圖象空間的消隱算法圖象空間的消隱算法：圖象空間是相對(duì)于物體空間的，在消隱算法中，圖象空間就是屏幕坐標(biāo)空間。這類算法對(duì)屏幕上的每個(gè)象素進(jìn)行判斷，以決定物體上哪個(gè)多邊形在該象素 點(diǎn)上是可見(jiàn)的。若屏幕上有m*n個(gè)象素點(diǎn)，物體表面上有k個(gè)多邊形，則該類消隱算法

2、計(jì)算量正比于m*n*k。消隱算法消隱算法深度緩存算法深度緩存算法是一種典型的、也是最簡(jiǎn)單的圖象空間消隱算法。YXOZjip1p2屏幕屏幕物體物體R1、ZB為深度緩存，F(xiàn)B為幀緩存，初始化ZB和FB，使得ZB(i,j)=機(jī)器最大值，F(xiàn)B(i,j)背景顏色。其中，i=1,2,m. j=1,2,n.2、FOR j=1,n /第j根掃描線。FOR i=1,m /第j根掃描線上第i個(gè)像素。 FOR k=1,N /第k個(gè)多邊形Pk2.1 令Zij=機(jī)器最大值2.2 判斷點(diǎn)（i,j)是否在多邊形Pk在XOY面上的投影多 邊形內(nèi)；2.2 若點(diǎn)(i,j)在Pk的投影多邊形內(nèi)，則計(jì)算多邊形Pk 在點(diǎn)(i,j)處的

3、深度值Zij ；2.3比較Zij與ZB(i,j)的大小，若Zij ZB(i,j)，則令 ZB(i,j)=Zij; FB(i,j)=多邊形Pk的顏色。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1、算法簡(jiǎn)單，在X、Y和Z方向上沒(méi)有進(jìn)行任何排序，和任何相關(guān)性計(jì)算。2、便于硬件實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在一般高檔圖形工作站上，除了幀緩存外，還帶有用于消隱的深度緩存，從而克服了深度緩存算法占用大量存儲(chǔ)單元的缺點(diǎn)。3、便于并行處理，進(jìn)一步提高算法的速度。是介于物體空間消隱和圖象空間消隱的一種方法，在物空間中計(jì)算物體上各面可見(jiàn)性的優(yōu)先級(jí)，然后在像空間中產(chǎn)生消隱圖。計(jì)算物體上各面的可見(jiàn)性的優(yōu)先級(jí)，是按多邊形離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近來(lái)進(jìn)行排序，建立一張優(yōu)先級(jí)表。距離視點(diǎn)

4、近的優(yōu)先級(jí)高，遠(yuǎn)的優(yōu)先級(jí)低。生成圖象時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的多邊形先畫(huà)，優(yōu)先級(jí)高的多邊形后畫(huà)。畫(huà)家算法（深度排序算法）畫(huà)家算法（深度排序算法）z zx xz zx xP PQ QP PQ Qz zx xP PQ Qz zx xP PQ Q真實(shí)感圖形生成技術(shù)真實(shí)感圖形生成技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與圖形學(xué)的發(fā)展以及光柵顯示器的出隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與圖形學(xué)的發(fā)展以及光柵顯示器的出現(xiàn)，加上包括存儲(chǔ)器在內(nèi)的各種計(jì)算機(jī)硬件的性能提現(xiàn)，加上包括存儲(chǔ)器在內(nèi)的各種計(jì)算機(jī)硬件的性能提高，使得需要高速計(jì)算花大存儲(chǔ)量的真實(shí)感圖形生成高，使得需要高速計(jì)算花大存儲(chǔ)量的真實(shí)感圖形生成成為可能。真實(shí)感圖形生成技術(shù)需要解決如下技術(shù)：成為可能。真實(shí)

5、感圖形生成技術(shù)需要解決如下技術(shù)：著色著色光照光照紋理紋理透明透明良好的真實(shí)感圖形顯示應(yīng)該具備良好的真實(shí)感圖形顯示應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：以下特點(diǎn)：能反映物體表面顏色和能反映物體表面顏色和亮度的細(xì)微變化；亮度的細(xì)微變化；能表現(xiàn)物體表面的質(zhì)感；能表現(xiàn)物體表面的質(zhì)感；能表現(xiàn)光照下的物體陰能表現(xiàn)光照下的物體陰影，極大地改善場(chǎng)景的深影，極大地改善場(chǎng)景的深度感和層次感，充分體現(xiàn)度感和層次感，充分體現(xiàn)物體間的相互遮擋關(guān)系；物體間的相互遮擋關(guān)系；能模擬透明物體的透明能模擬透明物體的透明效果和鏡面物體的鏡像效效果和鏡面物體的鏡像效果。果。決定一個(gè)物體的外觀的因素主要有以下幾個(gè)方面：決定一個(gè)物體的外觀的因素主要有以下幾

6、個(gè)方面：1、首先是物體、首先是物體本身本身的幾何的幾何形狀形狀；2、其次是物體的、其次是物體的表面特性表面特性；包括材料的粗糙度、感光度、；包括材料的粗糙度、感光度、表面顏色和紋理等。表面顏色和紋理等。3、照射物體的、照射物體的光源光源性質(zhì)。從光源發(fā)出的光有亮有暗、有不性質(zhì)。從光源發(fā)出的光有亮有暗、有不同的顏色，我們可以用光的波長(zhǎng)和光的強(qiáng)度來(lái)描述。光源還同的顏色，我們可以用光的波長(zhǎng)和光的強(qiáng)度來(lái)描述。光源還有點(diǎn)光源、線光源、面光源和體光源之分。有點(diǎn)光源、線光源、面光源和體光源之分。4、物體與光源的、物體與光源的相對(duì)位置相對(duì)位置。相對(duì)位置決定了物體反射光線。相對(duì)位置決定了物體反射光線的情況，決定了

7、高光區(qū)，背光區(qū)等在物體上的位置。的情況，決定了高光區(qū)，背光區(qū)等在物體上的位置。5、最后是物體周圍的、最后是物體周圍的環(huán)境環(huán)境。它們通過(guò)對(duì)光的反射和折射，。它們通過(guò)對(duì)光的反射和折射，形成環(huán)境光，在物體表面上產(chǎn)生一定的照度。形成環(huán)境光，在物體表面上產(chǎn)生一定的照度。簡(jiǎn)單光反射模型簡(jiǎn)單光反射模型用簡(jiǎn)單光反射模型模擬光，照射到物體表面時(shí)，產(chǎn)生了光的反射。反射光主要由漫反射光、環(huán)境光和鏡面光三部分組成。漫反射模型可以用Lambert余弦定理描述，如圖所示，設(shè)物體表面在P點(diǎn)的法向N，從P點(diǎn)指向光源的向量為L(zhǎng)，兩者的夾角為。于是，點(diǎn)P處的漫反射光的強(qiáng)度為：Id=IpKdcos, 02這里，Ip為入射光的強(qiáng)度，

8、即點(diǎn)光源的光強(qiáng)；Kd為漫反射系數(shù)，是01之間的一個(gè)常數(shù)，取決于物體的材料屬性和入射光的波長(zhǎng)；為光線入射角。NL環(huán)境光是光在物體和周圍環(huán)境之間多次反射的結(jié)果，它不是直接來(lái)自光源，而是來(lái)自周圍的環(huán)境對(duì)光的反射。環(huán)境光的特點(diǎn)是：照射在物體上的光來(lái)自周圍各個(gè)方向，又均勻地向各個(gè)方向反射。設(shè)Ia為環(huán)境光的強(qiáng)度，于是，P點(diǎn)對(duì)環(huán)境光的反射強(qiáng)度為Ie=IaKaP鏡面反射光鏡面反射的特點(diǎn)：光源來(lái)自一個(gè)方向，反射光集中在反射方向。如圖鏡面反射模型又稱Phong模型，可以表示為：Is=IpKscosn其中，Is為鏡面反射光在觀察方向上的光強(qiáng)，Ip為點(diǎn)光源的強(qiáng)度，Ks為鏡面反射系數(shù)，為視點(diǎn)方向V與鏡面反射方向R之間的

9、夾角，n是與物體表面光滑有關(guān)的一個(gè)常數(shù)，一般取為12000，表面越光滑，n越大。NLRV綜上所述，從視點(diǎn)觀察到綜上所述，從視點(diǎn)觀察到物體上任一點(diǎn)物體上任一點(diǎn)P P處的顏色和處的顏色和亮度亮度I I應(yīng)為漫反射光強(qiáng)應(yīng)為漫反射光強(qiáng)IdId，環(huán)境光反射光強(qiáng)環(huán)境光反射光強(qiáng)IeIe及鏡面及鏡面反射光強(qiáng)反射光強(qiáng)IsIs的總和，即的總和，即I IId+Ie+IsId+Ie+Is多邊形的明暗處理：多邊形的明暗處理：Gouraud明暗處理明暗處理I1(x1,y1)I4(x4,y4)I2(x2,y2)I3(x3,y3)Ia(xa,ys)Ib(xb,ys)Is)()(1)()(1)()(1144141122121as

10、bsbaabsssbssaxxIxxIxxIyyIyyIyyIyyIyyIyyI改寫(xiě)為增量形式。當(dāng)ys由j變?yōu)閖+1時(shí)bjbjbajajaIIIIII,1,1,對(duì)多邊形頂點(diǎn)的光亮度作雙線性插值對(duì)多邊形頂點(diǎn)的光亮度作雙線性插值)(1)(141412121IIyyIIIyyIba其中：)(1,1,ababssisisIIxxIIIIxs由i增加為i+1時(shí)I1(x1,y1)I4(x4,y4)I3(x3,y3)Ia(xa,ys)Ib(xb,ys)Is1、計(jì)算多邊形法向；2、計(jì)算頂點(diǎn)的法向；3、計(jì)算頂點(diǎn)的亮度；4、插值計(jì)算中間點(diǎn)的亮度；1、仍然用雙線性插值，用增量式，減少計(jì)算量。2、對(duì)頂點(diǎn)法向量進(jìn)行插值

11、，而不是對(duì)亮度插值。3、對(duì)每個(gè)象素，由插值得到法向量計(jì)算各自的亮度。4、仍然假定光源和視點(diǎn)都在無(wú)窮遠(yuǎn)。每點(diǎn)的亮度僅是該點(diǎn)的法向量的函數(shù)。I1(x1,y1)I4(x4,y4)I3(x3,y3)Ia(xa,ys)Ib(xb,ys)Is多邊形的明暗處理：多邊形的明暗處理：Phone明暗處理明暗處理對(duì)多邊形頂點(diǎn)的法向量作雙線性插值對(duì)多邊形頂點(diǎn)的法向量作雙線性插值)()(1)()(1)()(1144141122121asbsbaabsssbssaxxNxxNxxNyyNyyNyyNyyNyyNyyN改寫(xiě)為增量形式。當(dāng)ys由j變?yōu)閖+1時(shí)bjbjbajajaNNNNNN,1,1,N1(x1,y1)N4(x4,y4)N2(x2,y2)N3(x3,y3)Na(xa,ys)Nb(xb,ys)Is)(1)(141412121NNyyNNNyyNba其中：)(1,1,ababssisisNNxxNNNNxs由i增加為i+1時(shí)Gourand明暗法與明暗法與Phone方法的最主要的區(qū)別是方法的最主要的區(qū)別是: Gourand方法是對(duì)亮度插方法是對(duì)亮度插值