計算機圖形學基礎課件chap9

1第九章消隱基本概念深度緩存器算法區(qū)間掃描線算法深度排序算法區(qū)域細分算法光線投射算法BSP樹算法多邊形區(qū)域排序算法OpenGL中的消隱1第九章消隱基本概念2

基本概念物體的消隱或隱藏線面的消除：在給定視點和視線方向后，決定場景中哪些物體的表面是可見的，哪些是被遮擋不可見的。長方體線框投影圖的二義性2

基本概念物體的消隱或隱藏線面的消除：在給定視點和視線方向3

基本概念消隱算法按實現(xiàn)方式分類圖像空間消隱算法以屏幕像素為采樣單位，確定投影于每一像素的可見景物表面區(qū)域，并將其顏色作為該像素的顯示顏色。如深度緩沖器算法、A緩沖器算法、區(qū)間掃描線算法等。3

基本概念消隱算法按實現(xiàn)方式分類4

基本概念景物空間消隱算法直接在景物空間（觀察坐標系）中確定視點不可見的表面區(qū)域，并將它們表達成同原表面一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如BSP算法、多邊形區(qū)域排序算法等。介于二者之間的算法，如深度排序算法、區(qū)域細分算法、光線投射算法等。

4

基本概念景物空間消隱算法直接在景物空間（觀察坐標系）中確5

基本概念基本的原則排序：各景物表面按照距離視點遠近排序的結(jié)果，用于確定消隱對象之間的遮擋關(guān)系。連貫性：連貫性是指所考察的物體或視區(qū)內(nèi)的圖像局部保持不變的一種性質(zhì)，用于提高排序效率。5

基本概念基本的原則6

9.1深度緩存器算法（

Z-buffer）基本原理幀緩存：保存各點的顏色。Z緩存：保存屏幕坐標系上各象素點所對應的深度值。6

9.1深度緩存器算法（Z-buffer）基本原理7

深度緩存器算法（

Z-buffer）圖9.1深度緩存器算法的原理7

深度緩存器算法（Z-buffer）圖9.1深度緩存器8

深度緩存器算法（

Z-buffer）算法步驟初始化：把Z緩存中各(x,y)單元置為z的最小值，而幀緩存各(x,y)單元置為背景色。在把物體表面相應的多邊形掃描轉(zhuǎn)換成幀緩存中的信息時，對于多邊形內(nèi)的每一采樣點(x,y)進行處理：8

深度緩存器算法（Z-buffer）算法步驟9

深度緩存器算法（

Z-buffer）計算采樣點(x,y)的深度z(x,y)；如z(x,y)大于Z緩存中在(x,y)處的值，則把z(x,y)存入Z緩存中的(x,y)處，再把多邊形在z(x,y)處的顏色值存入幀緩存的(x,y)地址中。9

深度緩存器算法（Z-buffer）計算采樣點(x,y)10

深度緩存器算法（

Z-buffer）如何計算采樣點(x,y)的深度z(x,y)。假定多邊形的平面方程為：Ax+By+Cz+D=0。10

深度緩存器算法（Z-buffer）如何計算采樣點(x11

深度緩存器算法（

Z-buffer）圖9.2利用掃描線的連貫性加速深度的計算11

深度緩存器算法（Z-buffer）圖9.2利用掃描12

深度緩存器算法（

Z-buffer）掃描線上所有后繼點的深度值：當處理下一條掃描線y=y-1時，該掃描線上與多邊形相交的最左邊（x最?。┙稽c的x值可以利用上一條掃描線上的最左邊的x值計算：12

深度緩存器算法（Z-buffer）掃描線上所有后繼點13

深度緩存器算法（

Z-buffer）掃描線深度緩存器算法13

深度緩存器算法（Z-buffer）掃描線深度緩存器算14

深度緩存器算法（

Z-buffer）優(yōu)點多邊形不用排序方法簡單，與對象復雜程度無關(guān)簡單在象素級上以近物取代遠物，有利于硬件實現(xiàn)缺點占用太多的存儲單元在實現(xiàn)反走樣、透明和半透明等效果方面有困難14

深度緩存器算法（Z-buffer）優(yōu)點15

9.2區(qū)間掃描線算法避免對被遮擋區(qū)域的采樣是進一步提高掃描線算法計算效率的關(guān)鍵。圖9.3區(qū)間掃描線算法原理15

9.2區(qū)間掃描線算法避免對被遮擋區(qū)域的采樣是進一步提16

區(qū)間掃描線算法算法三張表：邊表、多邊形表、有效邊表。分割子區(qū)間，確定子區(qū)間上的唯一可見面。圖9.4掃描線子區(qū)間16

區(qū)間掃描線算法算法圖9.4掃描線子區(qū)間17

區(qū)間掃描線算法特殊情形貫穿情形：為了使算法能處理互相貫穿的多邊形，掃描線上的分割點不僅應包含各多邊形的邊與掃描線的交點，而且應包含這些貫穿邊界與掃描線的交點。17

區(qū)間掃描線算法特殊情形18

區(qū)間掃描線算法循環(huán)遮擋：將多邊形進行劃分以消除循環(huán)遮擋。圖9.5多邊形貫穿和循環(huán)遮擋的情形18

區(qū)間掃描線算法循環(huán)遮擋：將多邊形進行劃分以消除循環(huán)遮擋19

9.3深度排序算法（畫家算法）算法原理：算法約定距視點近的優(yōu)先級高，距視點遠的優(yōu)先級低。生成圖像時，優(yōu)先級低的多邊形先畫，優(yōu)先級高的多邊形后畫。這樣，后畫的多邊形就會將先畫的多邊形遮擋住，從而達到消隱的效果。算法的關(guān)鍵是多邊形排序。19

9.3深度排序算法（畫家算法）算法原理：算法約定距視20

9.4區(qū)域細分算法算法原理：考察投影平面上的一塊區(qū)域，如果可以很“容易”地判斷覆蓋該區(qū)域中的哪個或哪些多邊形是可見的，則可按這些多邊形的光照屬性和幾何位置計算確定子區(qū)域內(nèi)各像素的顯示顏色；否則就將這塊區(qū)域細分為若干較小的區(qū)域，并把上述推斷原則遞歸地應用到每個較小的區(qū)域中去。20

9.4區(qū)域細分算法算法原理：考察投影平面上的一塊區(qū)域21

區(qū)域細分算法多邊形的分類圖9.6多邊形的投影與考察區(qū)域之間的關(guān)系21

區(qū)域細分算法多邊形的分類圖9.6多邊形的投影與考察區(qū)22

區(qū)域細分算法可見性測試所有多邊形均是該區(qū)域的分離多邊形，于是可直接將該區(qū)域中的所有像素點置為背景顏色。針對該區(qū)域，僅存在一個相交多邊形，或僅存在一個被包含多邊形，或僅存在一個圍繞多邊形。則可先將該區(qū)域中的所有像素點置為背景顏色，再將相應多邊形的顏色值填入對應像素點的幀緩存中。22

區(qū)域細分算法可見性測試23

區(qū)域細分算法針對該區(qū)域，有多于一個的相交多邊形、被包含多邊形或圍繞多邊形，則計算所有圍繞的、相交的、以及被包含的多邊形在該區(qū)域4個頂點處的z坐標，如果存在一個圍繞多邊性，它的4個z坐標比其它任何多邊性的z坐標都大（最靠近視點），那么，可將該區(qū)域中的所有像素點置為該多邊形的顏色值。23

區(qū)域細分算法針對該區(qū)域，有多于一個的相交多邊形、被包含24

區(qū)域細分算法圖9.7滿足測試條件3的兩個例子24

區(qū)域細分算法圖9.7滿足測試條件3的兩個例子25

9.5光線投射算法算法原理圖9.8光線投射算法25

9.5光線投射算法算法原理圖9.8光線投射算法26

光線投射算法算法步驟通過視點和投影平面（顯示屏幕）上的所有像素點作一入射線，形成投影線。將任一投影線與場景中的所有多邊形求交。若有交點，則將所有交點按z值的大小進行排序，取出最近交點所屬多邊形的顏色；若沒有交點，則取出背景的顏色。將該射線穿過的像素點置為取出的顏色。26

光線投射算法算法步驟27

9.6BSP樹算法算法原理圖9.9BSP樹算法原理27

9.6BSP樹算法算法原理圖9.9BSP樹算法原理28

9.7多邊形區(qū)域排序算法算法原理

將多邊形按深度值由小到大排序，用前面的可見多邊形去切割位于其后的多邊形，使得最終每一個多邊形要么是完全可見的，要么是完全不可見的。28

9.7多邊形區(qū)域排序算法算法原理29

9.8OpenGL中的消隱多邊形剔除：主要用于去除多邊形物體本身的不可見面，以提高圖形系統(tǒng)的性能。glEnable(GL_CULL_FACE);glCullFace(mode);29

9.8OpenGL中的消隱多邊形剔除：主要用于去除多30

OpenGL中的消隱深度測試：OpenGL中的深度測試是采用深度緩存器算法，消除場景中的不可見面。

glDepthRange(nearNormDepth,farNormalDepth);glClearDepth(maxDepth);glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);glDepthFunc(func);30

OpenGL中的消隱深度測試：OpenGL中的深度測31第九章消隱基本概念深度緩存器算法區(qū)間掃描線算法深度排序算法區(qū)域細分算法光線投射算法BSP樹算法多邊形區(qū)域排序算法OpenGL中的消隱1第九章消隱基本概念32

基本概念物體的消隱或隱藏線面的消除：在給定視點和視線方向后，決定場景中哪些物體的表面是可見的，哪些是被遮擋不可見的。長方體線框投影圖的二義性2

基本概念物體的消隱或隱藏線面的消除：在給定視點和視線方向33

基本概念消隱算法按實現(xiàn)方式分類圖像空間消隱算法以屏幕像素為采樣單位，確定投影于每一像素的可見景物表面區(qū)域，并將其顏色作為該像素的顯示顏色。如深度緩沖器算法、A緩沖器算法、區(qū)間掃描線算法等。3

基本概念消隱算法按實現(xiàn)方式分類34

基本概念景物空間消隱算法直接在景物空間（觀察坐標系）中確定視點不可見的表面區(qū)域，并將它們表達成同原表面一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如BSP算法、多邊形區(qū)域排序算法等。介于二者之間的算法，如深度排序算法、區(qū)域細分算法、光線投射算法等。

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基本概念景物空間消隱算法直接在景物空間（觀察坐標系）中確35

基本概念基本的原則排序：各景物表面按照距離視點遠近排序的結(jié)果，用于確定消隱對象之間的遮擋關(guān)系。連貫性：連貫性是指所考察的物體或視區(qū)內(nèi)的圖像局部保持不變的一種性質(zhì)，用于提高排序效率。5

基本概念基本的原則36

9.1深度緩存器算法（

Z-buffer）基本原理幀緩存：保存各點的顏色。Z緩存：保存屏幕坐標系上各象素點所對應的深度值。6

9.1深度緩存器算法（Z-buffer）基本原理37

深度緩存器算法（

Z-buffer）圖9.1深度緩存器算法的原理7

深度緩存器算法（Z-buffer）圖9.1深度緩存器38

深度緩存器算法（

Z-buffer）算法步驟初始化：把Z緩存中各(x,y)單元置為z的最小值，而幀緩存各(x,y)單元置為背景色。在把物體表面相應的多邊形掃描轉(zhuǎn)換成幀緩存中的信息時，對于多邊形內(nèi)的每一采樣點(x,y)進行處理：8

深度緩存器算法（Z-buffer）算法步驟39

深度緩存器算法（

Z-buffer）計算采樣點(x,y)的深度z(x,y)；如z(x,y)大于Z緩存中在(x,y)處的值，則把z(x,y)存入Z緩存中的(x,y)處，再把多邊形在z(x,y)處的顏色值存入幀緩存的(x,y)地址中。9

深度緩存器算法（Z-buffer）計算采樣點(x,y)40

深度緩存器算法（

Z-buffer）如何計算采樣點(x,y)的深度z(x,y)。假定多邊形的平面方程為：Ax+By+Cz+D=0。10

深度緩存器算法（Z-buffer）如何計算采樣點(x41

深度緩存器算法（

Z-buffer）圖9.2利用掃描線的連貫性加速深度的計算11

深度緩存器算法（Z-buffer）圖9.2利用掃描42

深度緩存器算法（

Z-buffer）掃描線上所有后繼點的深度值：當處理下一條掃描線y=y-1時，該掃描線上與多邊形相交的最左邊（x最?。┙稽c的x值可以利用上一條掃描線上的最左邊的x值計算：12

深度緩存器算法（Z-buffer）掃描線上所有后繼點43

深度緩存器算法（

Z-buffer）掃描線深度緩存器算法13

深度緩存器算法（Z-buffer）掃描線深度緩存器算44

深度緩存器算法（

Z-buffer）優(yōu)點多邊形不用排序方法簡單，與對象復雜程度無關(guān)簡單在象素級上以近物取代遠物，有利于硬件實現(xiàn)缺點占用太多的存儲單元在實現(xiàn)反走樣、透明和半透明等效果方面有困難14

深度緩存器算法（Z-buffer）優(yōu)點45

9.2區(qū)間掃描線算法避免對被遮擋區(qū)域的采樣是進一步提高掃描線算法計算效率的關(guān)鍵。圖9.3區(qū)間掃描線算法原理15

9.2區(qū)間掃描線算法避免對被遮擋區(qū)域的采樣是進一步提46

區(qū)間掃描線算法算法三張表：邊表、多邊形表、有效邊表。分割子區(qū)間，確定子區(qū)間上的唯一可見面。圖9.4掃描線子區(qū)間16

區(qū)間掃描線算法算法圖9.4掃描線子區(qū)間47

區(qū)間掃描線算法特殊情形貫穿情形：為了使算法能處理互相貫穿的多邊形，掃描線上的分割點不僅應包含各多邊形的邊與掃描線的交點，而且應包含這些貫穿邊界與掃描線的交點。17

區(qū)間掃描線算法特殊情形48

區(qū)間掃描線算法循環(huán)遮擋：將多邊形進行劃分以消除循環(huán)遮擋。圖9.5多邊形貫穿和循環(huán)遮擋的情形18

區(qū)間掃描線算法循環(huán)遮擋：將多邊形進行劃分以消除循環(huán)遮擋49

9.3深度排序算法（畫家算法）算法原理：算法約定距視點近的優(yōu)先級高，距視點遠的優(yōu)先級低。生成圖像時，優(yōu)先級低的多邊形先畫，優(yōu)先級高的多邊形后畫。這樣，后畫的多邊形就會將先畫的多邊形遮擋住，從而達到消隱的效果。算法的關(guān)鍵是多邊形排序。19

9.3深度排序算法（畫家算法）算法原理：算法約定距視50

9.4區(qū)域細分算法算法原理：考察投影平面上的一塊區(qū)域，如果可以很“容易”地判斷覆蓋該區(qū)域中的哪個或哪些多邊形是可見的，則可按這些多邊形的光照屬性和幾何位置計算確定子區(qū)域內(nèi)各像素的顯示顏色；否則就將這塊區(qū)域細分為若干較小的區(qū)域，并把上述推斷原則遞歸地應用到每個較小的區(qū)域中去。20

9.4區(qū)域細分算法算法原理：考察投影平面上的一塊區(qū)域51

區(qū)域細分算法多邊形的分類圖9.6多邊形的投影與考察區(qū)域之間的關(guān)系21

區(qū)域細分算法多邊形的分類圖9.6多邊形的投影與考察區(qū)52

區(qū)域細分算法可見性測試所有多邊形均是該區(qū)域的分離多邊形，于是可直接將該區(qū)域中的所有像素點置為背景顏色。針對該區(qū)域，僅存在一個相交多邊形，或僅存在一個被包含多邊形，或僅存在一個圍繞多邊形。則可先將該區(qū)域中的所有像素點置為背景顏色，再將相應多邊形的顏色值填入對應像素點的幀緩存中。22

區(qū)域細分算法可見性測試53

區(qū)域細分算法針對該區(qū)域，有多于一個的相交多邊形、被包含多邊形或圍繞多邊形，則計算所有圍繞的、相交的、以及被包含的多邊形在該區(qū)域4個頂點處的z坐標，如果存在一個圍繞多邊性，它的4個z坐標比其它任何多邊性的z坐標都大（最靠近視點），那么，可將該區(qū)域中的所有像素點置為該多邊形的顏色值。23

區(qū)域細分算法針對該區(qū)域，有多于一個的相交多邊形、被包含54

區(qū)域細分算法圖9.7滿足測試條件3的兩個例子24

區(qū)域細分算法圖9.7滿足測試條件3的兩個例子55

9.5光線投射算法算法原理圖9.8光線投射算法25

9.5光線投射算法算法原理圖9.8光線投射算法56