真實(shí)感圖形繪制技術(shù)方案

真實(shí)感圖形繪制技術(shù)真實(shí)感圖形繪制技術(shù)主要內(nèi)容消隱技術(shù)光照模型透明處理陰影繪制紋理映射主要內(nèi)容消隱技術(shù)（一）消隱技術(shù)通常，我們看一個(gè)3D物體，是不能一眼看到其全部表面的，只能看到該物體表面上的部分點(diǎn)、線、面，而其余部分則被這些可見部分遮擋住。如果觀察的是多個(gè)3D物體，則物體之間還可能彼此遮擋而部分不可見。因此，如果想有真實(shí)感地顯示3D物體，必須在視點(diǎn)確定后，將對(duì)象表面上不可見的點(diǎn)、線、面消去。執(zhí)行這一功能的算法，稱為消隱算法。（一）消隱技術(shù)通常，我們看一個(gè)3D物體，是不能一眼看到其全部（一）消隱技術(shù)三維網(wǎng)格模型將三維物體的表面分解為一組空間多邊形，消隱算法就是研究多邊形之間的遮擋關(guān)系。按操作對(duì)象的不同，可分為兩大類：對(duì)象空間方法（ObjectSpaceMethods）圖像空間方法（ImageSpaceMethods）。（一）消隱技術(shù)三維網(wǎng)格模型將三維物體的表面分解為一組空間多邊（一）消隱技術(shù)對(duì)象空間法對(duì)象空間：三維場(chǎng)景的描述空間對(duì)象空間法：在物體描述空間中，根據(jù)物體的幾何關(guān)系計(jì)算物體的哪些部分可見，其目的是消去那些不可見的面或面的不可見部分例如：以空間中的三維平面作為分析對(duì)象，通過比較各平面的參數(shù)來確定它們的可見性

表優(yōu)先級(jí)算法、BSP算法、Weiler-Atherton算法（一）消隱技術(shù)對(duì)象空間法（一）消隱技術(shù)圖像空間法圖像空間：對(duì)象投影后所在的二維空間圖像空間法：是將對(duì)象投影后分解為像素，按一定的規(guī)律，比較像素之間的深度值，從而確定其是否可見Z-buffer算法（一）消隱技術(shù)圖像空間法幾乎所有的消隱算法都涉及到排序問題。消隱算法的基本思想是將物體上所有的點(diǎn)、線、面，按照距視點(diǎn)的遠(yuǎn)近進(jìn)行排序。一般來說，離視點(diǎn)較遠(yuǎn)的物體，就有可能被離視點(diǎn)較近的物體完全或部分遮蓋。消隱算法的效率在很大程度上取決于排序的效率幾乎所有的消隱算法都涉及到排序問題。消隱算法的基本思想是將物（一）消隱技術(shù)表優(yōu)先級(jí)算法（畫家算法）將屏幕置成背景色構(gòu)造物體組成面的深度優(yōu)先級(jí)表：把物體的各個(gè)面按其離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近進(jìn)行排序，離視點(diǎn)遠(yuǎn)的在表頭，離視點(diǎn)近的在表尾由遠(yuǎn)到近進(jìn)行繪制：從表頭至表尾逐個(gè)取出多邊形，投影到屏幕上，顯示多邊形所包含的實(shí)心區(qū)域。由后顯示的圖形取代先顯示的畫面，而后顯示的圖形所代表的面離視點(diǎn)更近，所以，由遠(yuǎn)及近地繪制各面就相當(dāng)于消除隱藏面。這與油畫家作畫的過程類似，先畫遠(yuǎn)景，再畫中景，最后畫近景，因此將這種算法稱為畫家算法。（一）消隱技術(shù)表優(yōu)先級(jí)算法（畫家算法）（一）消隱技術(shù)表優(yōu)先級(jí)算法（畫家算法）優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，并且可以作為實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜算法的基礎(chǔ)缺點(diǎn)：只能處理互不相交的面，而且深度優(yōu)先級(jí)表中的順序可能出錯(cuò)只能把有關(guān)的面進(jìn)行分割后再排序。增加了算法的復(fù)雜度，因此，該算法使用具有一定的局限性邊界表示正確投影畫家算法之先A后B畫家算法之先B后A（一）消隱技術(shù)表優(yōu)先級(jí)算法（畫家算法）只能把有關(guān)的面進(jìn)行分割（一）消隱技術(shù)BSP算法（BinarySpacePartition）設(shè)置視點(diǎn)位置選取空間中某一平面對(duì)場(chǎng)景中的組成平面進(jìn)行二值狀態(tài)分離，根據(jù)視點(diǎn)位置，位于分割平面前的組成面設(shè)置狀態(tài)為前（Front），位于分割平面后的組成面設(shè)置狀態(tài)為后（Back）。對(duì)于與分割面相交的組成面，將其分成獨(dú)立的兩部分。繼續(xù)選取分割平面對(duì)之前的分離結(jié)果進(jìn)行更細(xì)致的分離，直至每個(gè)子區(qū)域只有一個(gè)組成面或包含的組成面容易進(jìn)行深度比較為止最終形成一個(gè)二值狀態(tài)的二叉樹（一）消隱技術(shù)BSP算法（BinarySpacePartABC視點(diǎn)P1P1DA,BD,CFrontBackP2P1P2P2ABCDFrontBackFrontFrontBackBackABC視點(diǎn)P1P1DA,BD,CFrontBackP2P1P（一）消隱技術(shù)BSP算法（BinarySpacePartition）是一種決定場(chǎng)景可見性的有效方法與畫家算法類似，也是從遠(yuǎn)到近往屏幕覆蓋畫面元素適合在場(chǎng)景不變，視點(diǎn)變化的場(chǎng)合中對(duì)景物表面做快速排序（一）消隱技術(shù)BSP算法（BinarySpacePartABC視點(diǎn)1P1DP2P1P2P2ABCDFrontBackFrontFrontBackBack視點(diǎn)3視點(diǎn)2視點(diǎn)4P1P2P2ABCDFrontBackFrontFrontBackBackP1P2P2ABCDFrontBackFrontFrontBackBackABC視點(diǎn)1P1DP2P1P2P2ABCDFrontBack（一）消隱技術(shù)Weiler-Atherton算法可見多邊形裁剪以位于最前面的景物表面為裁剪窗口，對(duì)后面的景物進(jìn)行裁剪，位于裁剪窗口之內(nèi)的表面或表面的被遮擋部分可以消去。位于窗口之外的表面組成外裁剪多邊形表，取表中位于最前面的表面為裁剪窗口，繼續(xù)對(duì)其他表面進(jìn)行裁剪，直至外裁剪結(jié)果多邊形表為空為止。（一）消隱技術(shù)Weiler-Atherton算法（一）消隱技術(shù)（一）消隱技術(shù)（一）消隱技術(shù)Z-buffer算法（圖像空間法）算法思想：在圖像投影空間中，用近點(diǎn)投影取代遠(yuǎn)點(diǎn)投影。即對(duì)當(dāng)前處理空間平面投影區(qū)域中的某一像素點(diǎn)，比較該像素點(diǎn)的深度值與幀緩存中對(duì)應(yīng)的已有像素點(diǎn)的深度值大小，如果當(dāng)前像素點(diǎn)的深度值較小，則將當(dāng)前像素的顏色值寫入幀緩存，它的深度值寫入深度緩存

Z緩沖區(qū)算法又稱為深度緩存算法，不僅需要一個(gè)幀緩沖區(qū)(FrameBuffer)來存放每個(gè)像素的亮度值，而且還需要有一個(gè)Z緩沖區(qū)(ZBuffer)來存放每個(gè)像素的深度值，即Z坐標(biāo)。這正是Z緩沖區(qū)算法名稱的來歷。ZBuffer的大小由屏幕顯示分辨率決定（一）消隱技術(shù)Z-buffer算法（圖像空間法）優(yōu)點(diǎn)：Z緩沖區(qū)算法排序靈活簡(jiǎn)單，有利于硬件實(shí)現(xiàn)。在Z緩沖區(qū)算法中，屏幕上哪個(gè)像素點(diǎn)的顏色先計(jì)算，哪個(gè)后計(jì)算，其先后順序是無關(guān)緊要的，不影響消隱結(jié)果。因此，該算法不需要預(yù)先排隊(duì)，從而省去了排序時(shí)間。目前許多圖形工作站都配置硬件實(shí)現(xiàn)的Z緩沖器算法，以便于圖形的快速生成和實(shí)時(shí)顯示缺點(diǎn)：占用的存儲(chǔ)容量大優(yōu)點(diǎn)：18（二）光照模型18（二）光照模型191920簡(jiǎn)單光照明模型光照射到物體表面，主要發(fā)生： 反射 透射（對(duì)透明物體） 部分被吸收成熱能

反射光，透射光決定了物體所呈現(xiàn)的顏色

20簡(jiǎn)單光照明模型光照射到物體表面，主要發(fā)生：（二）光照模型虛擬場(chǎng)景著色方案：為物體每個(gè)表面賦予固定的顏色，無論怎樣觀察物體其顏色保持不變盡可能模擬光源與彩色表面相互作用的效果計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，采用光照模型來計(jì)算景物表面上任一點(diǎn)投向觀察者眼中的光亮度的大小和色彩組成，生成具有真實(shí)感的圖像光照模型：用來計(jì)算投射到人眼中光亮度大小的數(shù)學(xué)模型。簡(jiǎn)單光照模型整體光照模型（二）光照模型虛擬場(chǎng)景著色方案：光源類型點(diǎn)光源無限遠(yuǎn)點(diǎn)光源局部光源環(huán)境光光源類型點(diǎn)光源點(diǎn)光源描述：光從空間中一點(diǎn)發(fā)出光源在所有方向發(fā)出的能量相同模型參數(shù)：光源的空間位置(Lx,Ly,Lz)光照強(qiáng)度Ip入射光能量：點(diǎn)光源無限遠(yuǎn)光源光源位置處于無限遠(yuǎn)處入射光線平行：平面上任意一點(diǎn)的入射角相同模型參數(shù)：光強(qiáng)入射角無限遠(yuǎn)光源局部光源用相關(guān)角度來模擬定向光束的光照特征模型參數(shù)：位置方向光強(qiáng)照射角只有在光源照射范圍之內(nèi)的空間點(diǎn)可以被光照到局部光源環(huán)境光是指光源間接對(duì)物體的影響，是在物體和環(huán)境之間多次反射，最終達(dá)到平衡時(shí)的一種光。我們近似地認(rèn)為同一環(huán)境下的環(huán)境光，其光強(qiáng)分布是均勻的，它在任何一個(gè)方向上的分布都相同，即在任何位置、任何方向上強(qiáng)度一樣,記為Ia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，環(huán)境光反射系數(shù)記為Ka

。光照明方程（僅含環(huán)境光）：物體表面所呈現(xiàn)的亮度Ie=KaIa例如，透過厚厚云層的陽(yáng)光就可以稱為環(huán)境光。環(huán)境光Ka

=0.4Ka

=0.8Ka=0.4Ka=0.8反射模型當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，光線可能被吸收、反射和透射。被物體吸收的部分轉(zhuǎn)化為熱，反射、透射的光進(jìn)入視覺系統(tǒng)，使我們能看見物體。目前虛擬光照的研究主要針對(duì)物體對(duì)入射光的反射模型進(jìn)行從物體表面反射出來的光取決于光的成分、光源的幾何性質(zhì)、物體表面朝向和表面性質(zhì)等。由于物體表面反射性質(zhì)不同，可以將反射模型分為兩類：漫反射鏡面反射反射模型當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，光線可能被吸收、反射和透射。漫反射漫反射光可認(rèn)為是光穿過物體表面被吸收，然后重新發(fā)射出來的光。漫反射光均勻的漫布在各個(gè)方向，與觀察者位置無關(guān)，從各個(gè)視角觀察都具有相同的亮度。相關(guān)因素：光源強(qiáng)度物體朝向物體表面反射系數(shù)光照方程：漫反射漫反射（DiffuseReflection）點(diǎn)光源：向周圍所有方向發(fā)射等強(qiáng)度的光漫反射光是由物體表面的粗糙不平引起的，它均勻地向各個(gè)方向傳播，與視點(diǎn)無關(guān)漫反射光在空間均勻分布，反射光強(qiáng)I與入射光的入射角θ的余弦成正比，即：

其中，Kd是漫反射系數(shù)（0～1之間的常數(shù)），與物體表面性質(zhì)有關(guān)；Ip是入射光（光源）的光強(qiáng)；θ是入射光的入射角，即入射光與物體表面法向量之間的夾角。漫反射（DiffuseReflection）漫反射（續(xù)）設(shè)物體表面在照射點(diǎn)P處的單位法向量為N，P到點(diǎn)光源的單位向量為L(zhǎng)，則上式可表達(dá)為如下的向量形式：如果有多個(gè)光源，則可以把各個(gè)光源的漫反射光照效果進(jìn)行疊加：漫反射（續(xù)）如果有多個(gè)光源，則可以把各個(gè)光環(huán)境光與漫反射光結(jié)合方程：例子：環(huán)境光與漫反射光結(jié)合鏡面反射（SpecularReflection）鏡面反射由于表面光滑的物體對(duì)入射光的反射形成的對(duì)于理想鏡面，反射光集中在一個(gè)方向，并遵守反射定律。對(duì)一般的光滑表面，反射光集中在一個(gè)范圍內(nèi)，且由反射定律決定的反射方向光強(qiáng)最大。因此，對(duì)于同一點(diǎn)來說，從不同位置所觀察到的鏡面反射光強(qiáng)是不同的。高光現(xiàn)象：鏡面反射光在反射方向附近形成很亮的光斑鏡面反射（SpecularReflection）理想鏡面反射反射光與入射光位于表面法向兩側(cè)理想反射面而言：入射角＝反射角觀察者只有在反射方向上才能看到反射光理想鏡面反射非理想鏡面反射對(duì)一般的光滑表面，反射光集中在一個(gè)范圍內(nèi)，由反射定律決定的反射方向光強(qiáng)最大。對(duì)于同一點(diǎn)來說，從不同位置所觀察到的鏡面反射光強(qiáng)是不同的。光照方程：Ks是物體表面鏡面反射系數(shù)，它與入射角和波長(zhǎng)有關(guān)；α是視線與反射方向的夾角；

n為鏡面高光系數(shù)，用來模擬鏡面反射光在空間中的匯聚程度，它是一個(gè)反映物體表面光澤度的常數(shù)；

非理想鏡面反射Ks是物體表面鏡面反射系數(shù)，它與入射角和波長(zhǎng)有n=15n=5n=1n

常規(guī)取值5~20鏡面高光系數(shù)n的影響效果n=15n=5光照效果比較光照效果比較簡(jiǎn)單光照模型簡(jiǎn)單光照模型簡(jiǎn)單光照明模型模擬物體表面對(duì)光的反射作用。光源被假定為點(diǎn)光源，反射作用被細(xì)分為鏡面反射(SpecularReflection)和漫反射(DiffuseReflection)。模型只考慮物體對(duì)直接光照的反射作用，而物體間的光反射作用，只用環(huán)境光(AmbientLight)來表示簡(jiǎn)單光照模型簡(jiǎn)單光照模型Phong光照模型由物體表面上點(diǎn)P反射到視點(diǎn)的光強(qiáng)I=環(huán)境光的反射光強(qiáng)Ie

+理想漫反射光強(qiáng)Id

+鏡面反射光IsPhong光照模型真實(shí)感圖形繪制技術(shù)方案Phong光照模型光的衰減從光源到物體表面過程中的衰減從物體表面到人眼過程中的衰減多個(gè)點(diǎn)光源：Phong光照模型Phong模型特點(diǎn)分析模型簡(jiǎn)單，便于實(shí)時(shí)繪制是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以達(dá)到一定的真實(shí)度還具有以下的一些問題用Phong模型顯示出的物體像塑料，沒有質(zhì)感環(huán)境光是常量，沒有考慮物體之間相互的反射光鏡面反射的顏色是光源的顏色，與物體的材料無關(guān)鏡面反射的計(jì)算在入射角很大時(shí)會(huì)產(chǎn)生失真Phong模型特點(diǎn)分析多邊形著色方法均勻著色(FlatShading)光滑著色（SmoothShading）在每一個(gè)多邊形的頂點(diǎn)處計(jì)算合適的光照明強(qiáng)度或參數(shù)，然后在各個(gè)多邊形內(nèi)部進(jìn)行均勻插值，得到多邊形的光滑顏色分布Gouraud方法用多邊形頂點(diǎn)的顏色進(jìn)行插值生成中間點(diǎn)的顏色Phong方法對(duì)頂點(diǎn)的法向量進(jìn)行插值計(jì)算出中間點(diǎn)的法向量多邊形著色方法均勻著色(FlatShading)均勻著色(FlatShading)方法任取多邊形上一點(diǎn)，利用光照方程計(jì)算出它的顏色用這個(gè)顏色填充整個(gè)多邊形適合于如下情況光源在無窮遠(yuǎn)處視點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處多邊形是物體表面的精確表示特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)多邊形只需計(jì)算一次光照明方程，速度快缺點(diǎn)：相鄰多邊形顏色過渡不光滑均勻著色(FlatShading)均勻著色實(shí)例線框模式均勻著色均勻著色實(shí)例線框模式均勻著色光滑著色Gouraud著色方法（顏色插值方法）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（共享頂點(diǎn)的多邊形法矢量的平均值）3、利用光照明方程計(jì)算頂點(diǎn)顏色4、插值計(jì)算離散邊上的各點(diǎn)光強(qiáng)5、對(duì)多邊形頂點(diǎn)顏色進(jìn)行雙線性插值，獲得多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的顏色光滑著色Gouraud著色方法（顏色插值方法）計(jì)算多邊形頂點(diǎn)的單位法矢量計(jì)算多邊形頂點(diǎn)的單位法矢量Gouraud著色方法（顏色插值方法）雙線性插值已知P1（x1,y1)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)，顏色分別為I1、I2和I3。A（xA,yA)和B（xB,yB)為交點(diǎn)，P（x,y）為AB上一點(diǎn)，計(jì)算P點(diǎn)的顏色Gouraud著色方法（顏色插值方法）Phong著色方法（法向插值著色方法）步驟1、計(jì)算多邊形單位法矢量2、計(jì)算多邊形頂點(diǎn)單位法矢量3、對(duì)多邊形頂點(diǎn)法矢量進(jìn)行雙線性插值，獲得內(nèi)部各點(diǎn)的法矢量4、利用光照明方程計(jì)算多邊形內(nèi)部各點(diǎn)顏色Phong著色方法（法向插值著色方法）真實(shí)感圖形繪制技術(shù)方案Gouraud和Phong著色方法比較基于雙線性光強(qiáng)插值的Gouraud方法可以有效的顯示漫反射曲面，它的計(jì)算量??；而基于雙線性法向插值的Phong方法與Gouraud方法相比，可以產(chǎn)生正確的高光區(qū)域，但計(jì)算量要大的多。Gouraud和Phong著色方法比較整體光照模型照射到物體上的光線，不僅有從光源直接射來的，也有經(jīng)過其它物體反射或折射來的。局部光照模型只能處理直接光照，為了對(duì)環(huán)境中物體之間的各種反射、折射光進(jìn)行精確模擬，需要使用整體光照模型。光線跟蹤算法是典型的整體光照模型整體光照模型照射到物體上的光線，不僅有從光源直接射來的，也有光線跟蹤過程光線跟蹤是一種真實(shí)地顯示物體的方法，它沿著到達(dá)視點(diǎn)的光線的反方向跟蹤，經(jīng)過屏幕上每一個(gè)象素，找出與視線相交的物體表面點(diǎn)P1，并繼續(xù)跟蹤，找出影響P1點(diǎn)光強(qiáng)的所有光源，從而算出P1點(diǎn)上精確的光線強(qiáng)度。

這一過程可以跟蹤物體間的鏡面反射光線和規(guī)則透射，模擬了理想表面的光的傳播光線跟蹤過程光線跟蹤是一種真實(shí)地顯示物體的方法，它沿著到達(dá)視光線跟蹤光線跟蹤（固定光源）光線跟蹤（移動(dòng)光源）光線跟蹤光線跟蹤（固定光源）光線跟蹤（移動(dòng)光源）人有了知識(shí)，就會(huì)具備各種分析能力，明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，古人說“書中自有黃金屋?！蓖ㄟ^閱讀科技書籍，我們能豐富知識(shí)，培養(yǎng)邏輯思維能力；通過閱讀文學(xué)作品，我們能提高文學(xué)鑒賞水平，培養(yǎng)文學(xué)情趣；通過閱讀報(bào)刊，我們能增長(zhǎng)見識(shí)，擴(kuò)大自己的知識(shí)面。有許多書籍還能培養(yǎng)我們的道德情操，給我們巨大的精神力量，鼓舞我們前進(jìn)。人有了知識(shí)，就會(huì)具備各種分析能力，真實(shí)感圖形繪制技術(shù)方案真實(shí)感圖形繪制技術(shù)真實(shí)感圖形繪制技術(shù)主要內(nèi)容消隱技術(shù)光照模型透明處理陰影繪制紋理映射主要內(nèi)容消隱技術(shù)（一）消隱技術(shù)通常，我們看一個(gè)3D物體，是不能一眼看到其全部表面的，只能看到該物體表面上的部分點(diǎn)、線、面，而其余部分則被這些可見部分遮擋住。如果觀察的是多個(gè)3D物體，則物體之間還可能彼此遮擋而部分不可見。因此，如果想有真實(shí)感地顯示3D物體，必須在視點(diǎn)確定后，將對(duì)象表面上不可見的點(diǎn)、線、面消去。執(zhí)行這一功能的算法，稱為消隱算法。（一）消隱技術(shù)通常，我們看一個(gè)3D物體，是不能一眼看到其全部（一）消隱技術(shù)三維網(wǎng)格模型將三維物體的表面分解為一組空間多邊形，消隱算法就是研究多邊形之間的遮擋關(guān)系。按操作對(duì)象的不同，可分為兩大類：對(duì)象空間方法（ObjectSpaceMethods）圖像空間方法（ImageSpaceMethods）。（一）消隱技術(shù)三維網(wǎng)格模型將三維物體的表面分解為一組空間多邊（一）消隱技術(shù)對(duì)象空間法對(duì)象空間：三維場(chǎng)景的描述空間對(duì)象空間法：在物體描述空間中，根據(jù)物體的幾何關(guān)系計(jì)算物體的哪些部分可見，其目的是消去那些不可見的面或面的不可見部分例如：以空間中的三維平面作為分析對(duì)象，通過比較各平面的參數(shù)來確定它們的可見性

表優(yōu)先級(jí)算法、BSP算法、Weiler-Atherton算法（一）消隱技術(shù)對(duì)象空間法（一）消隱技術(shù)圖像空間法圖像空間：對(duì)象投影后所在的二維空間圖像空間法：是將對(duì)象投影后分解為像素，按一定的規(guī)律，比較像素之間的深度值，從而確定其是否可見Z-buffer算法（一）消隱技術(shù)圖像空間法幾乎所有的消隱算法都涉及到排序問題。消隱算法的基本思想是將物體上所有的點(diǎn)、線、面，按照距視點(diǎn)的遠(yuǎn)近進(jìn)行排序。一般來說，離視點(diǎn)較遠(yuǎn)的物體，就有可能被離視點(diǎn)較近的物體完全或部分遮蓋。消隱算法的效率在很大程度上取決于排序的效率幾乎所有的消隱算法都涉及到排序問題。消隱算法的基本思想是將物（一）消隱技術(shù)表優(yōu)先級(jí)算法（畫家算法）將屏幕置成背景色構(gòu)造物體組成面的深度優(yōu)先級(jí)表：把物體的各個(gè)面按其離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近進(jìn)行排序，離視點(diǎn)遠(yuǎn)的在表頭，離視點(diǎn)近的在表尾由遠(yuǎn)到近進(jìn)行繪制：從表頭至表尾逐個(gè)取出多邊形，投影到屏幕上，顯示多邊形所包含的實(shí)心區(qū)域。由后顯示的圖形取代先顯示的畫面，而后顯示的圖形所代表的面離視點(diǎn)更近，所以，由遠(yuǎn)及近地繪制各面就相當(dāng)于消除隱藏面。這與油畫家作畫的過程類似，先畫遠(yuǎn)景，再畫中景，最后畫近景，因此將這種算法稱為畫家算法。（一）消隱技術(shù)表優(yōu)先級(jí)算法（畫家算法）（一）消隱技術(shù)表優(yōu)先級(jí)算法（畫家算法）優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，并且可以作為實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜算法的基礎(chǔ)缺點(diǎn)：只能處理互不相交的面，而且深度優(yōu)先級(jí)表中的順序可能出錯(cuò)只能把有關(guān)的面進(jìn)行分割后再排序。增加了算法的復(fù)雜度，因此，該算法使用具有一定的局限性邊界表示正確投影畫家算法之先A后B畫家算法之先B后A（一）消隱技術(shù)表優(yōu)先級(jí)算法（畫家算法）只能把有關(guān)的面進(jìn)行分割（一）消隱技術(shù)BSP算法（BinarySpacePartition）設(shè)置視點(diǎn)位置選取空間中某一平面對(duì)場(chǎng)景中的組成平面進(jìn)行二值狀態(tài)分離，根據(jù)視點(diǎn)位置，位于分割平面前的組成面設(shè)置狀態(tài)為前（Front），位于分割平面后的組成面設(shè)置狀態(tài)為后（Back）。對(duì)于與分割面相交的組成面，將其分成獨(dú)立的兩部分。繼續(xù)選取分割平面對(duì)之前的分離結(jié)果進(jìn)行更細(xì)致的分離，直至每個(gè)子區(qū)域只有一個(gè)組成面或包含的組成面容易進(jìn)行深度比較為止最終形成一個(gè)二值狀態(tài)的二叉樹（一）消隱技術(shù)BSP算法（BinarySpacePartABC視點(diǎn)P1P1DA,BD,CFrontBackP2P1P2P2ABCDFrontBackFrontFrontBackBackABC視點(diǎn)P1P1DA,BD,CFrontBackP2P1P（一）消隱技術(shù)BSP算法（BinarySpacePartition）是一種決定場(chǎng)景可見性的有效方法與畫家算法類似，也是從遠(yuǎn)到近往屏幕覆蓋畫面元素適合在場(chǎng)景不變，視點(diǎn)變化的場(chǎng)合中對(duì)景物表面做快速排序（一）消隱技術(shù)BSP算法（BinarySpacePartABC視點(diǎn)1P1DP2P1P2P2ABCDFrontBackFrontFrontBackBack視點(diǎn)3視點(diǎn)2視點(diǎn)4P1P2P2ABCDFrontBackFrontFrontBackBackP1P2P2ABCDFrontBackFrontFrontBackBackABC視點(diǎn)1P1DP2P1P2P2ABCDFrontBack（一）消隱技術(shù)Weiler-Atherton算法可見多邊形裁剪以位于最前面的景物表面為裁剪窗口，對(duì)后面的景物進(jìn)行裁剪，位于裁剪窗口之內(nèi)的表面或表面的被遮擋部分可以消去。位于窗口之外的表面組成外裁剪多邊形表，取表中位于最前面的表面為裁剪窗口，繼續(xù)對(duì)其他表面進(jìn)行裁剪，直至外裁剪結(jié)果多邊形表為空為止。（一）消隱技術(shù)Weiler-Atherton算法（一）消隱技術(shù)（一）消隱技術(shù)（一）消隱技術(shù)Z-buffer算法（圖像空間法）算法思想：在圖像投影空間中，用近點(diǎn)投影取代遠(yuǎn)點(diǎn)投影。即對(duì)當(dāng)前處理空間平面投影區(qū)域中的某一像素點(diǎn)，比較該像素點(diǎn)的深度值與幀緩存中對(duì)應(yīng)的已有像素點(diǎn)的深度值大小，如果當(dāng)前像素點(diǎn)的深度值較小，則將當(dāng)前像素的顏色值寫入幀緩存，它的深度值寫入深度緩存

Z緩沖區(qū)算法又稱為深度緩存算法，不僅需要一個(gè)幀緩沖區(qū)(FrameBuffer)來存放每個(gè)像素的亮度值，而且還需要有一個(gè)Z緩沖區(qū)(ZBuffer)來存放每個(gè)像素的深度值，即Z坐標(biāo)。這正是Z緩沖區(qū)算法名稱的來歷。ZBuffer的大小由屏幕顯示分辨率決定（一）消隱技術(shù)Z-buffer算法（圖像空間法）優(yōu)點(diǎn)：Z緩沖區(qū)算法排序靈活簡(jiǎn)單，有利于硬件實(shí)現(xiàn)。在Z緩沖區(qū)算法中，屏幕上哪個(gè)像素點(diǎn)的顏色先計(jì)算，哪個(gè)后計(jì)算，其先后順序是無關(guān)緊要的，不影響消隱結(jié)果。因此，該算法不需要預(yù)先排隊(duì)，從而省去了排序時(shí)間。目前許多圖形工作站都配置硬件實(shí)現(xiàn)的Z緩沖器算法，以便于圖形的快速生成和實(shí)時(shí)顯示缺點(diǎn)：占用的存儲(chǔ)容量大優(yōu)點(diǎn)：74（二）光照模型18（二）光照模型751976簡(jiǎn)單光照明模型光照射到物體表面，主要發(fā)生： 反射 透射（對(duì)透明物體） 部分被吸收成熱能

反射光，透射光決定了物體所呈現(xiàn)的顏色

20簡(jiǎn)單光照明模型光照射到物體表面，主要發(fā)生：（二）光照模型虛擬場(chǎng)景著色方案：為物體每個(gè)表面賦予固定的顏色，無論怎樣觀察物體其顏色保持不變盡可能模擬光源與彩色表面相互作用的效果計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，采用光照模型來計(jì)算景物表面上任一點(diǎn)投向觀察者眼中的光亮度的大小和色彩組成，生成具有真實(shí)感的圖像光照模型：用來計(jì)算投射到人眼中光亮度大小的數(shù)學(xué)模型。簡(jiǎn)單光照模型整體光照模型（二）光照模型虛擬場(chǎng)景著色方案：光源類型點(diǎn)光源無限遠(yuǎn)點(diǎn)光源局部光源環(huán)境光光源類型點(diǎn)光源點(diǎn)光源描述：光從空間中一點(diǎn)發(fā)出光源在所有方向發(fā)出的能量相同模型參數(shù)：光源的空間位置(Lx,Ly,Lz)光照強(qiáng)度Ip入射光能量：點(diǎn)光源無限遠(yuǎn)光源光源位置處于無限遠(yuǎn)處入射光線平行：平面上任意一點(diǎn)的入射角相同模型參數(shù)：光強(qiáng)入射角無限遠(yuǎn)光源局部光源用相關(guān)角度來模擬定向光束的光照特征模型參數(shù)：位置方向光強(qiáng)照射角只有在光源照射范圍之內(nèi)的空間點(diǎn)可以被光照到局部光源環(huán)境光是指光源間接對(duì)物體的影響，是在物體和環(huán)境之間多次反射，最終達(dá)到平衡時(shí)的一種光。我們近似地認(rèn)為同一環(huán)境下的環(huán)境光，其光強(qiáng)分布是均勻的，它在任何一個(gè)方向上的分布都相同，即在任何位置、任何方向上強(qiáng)度一樣,記為Ia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，環(huán)境光反射系數(shù)記為Ka

。光照明方程（僅含環(huán)境光）：物體表面所呈現(xiàn)的亮度Ie=KaIa例如，透過厚厚云層的陽(yáng)光就可以稱為環(huán)境光。環(huán)境光Ka

=0.4Ka

=0.8Ka=0.4Ka=0.8反射模型當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，光線可能被吸收、反射和透射。被物體吸收的部分轉(zhuǎn)化為熱，反射、透射的光進(jìn)入視覺系統(tǒng)，使我們能看見物體。目前虛擬光照的研究主要針對(duì)物體對(duì)入射光的反射模型進(jìn)行從物體表面反射出來的光取決于光的成分、光源的幾何性質(zhì)、物體表面朝向和表面性質(zhì)等。由于物體表面反射性質(zhì)不同，可以將反射模型分為兩類：漫反射鏡面反射反射模型當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，光線可能被吸收、反射和透射。漫反射漫反射光可認(rèn)為是光穿過物體表面被吸收，然后重新發(fā)射出來的光。漫反射光均勻的漫布在各個(gè)方向，與觀察者位置無關(guān)，從各個(gè)視角觀察都具有相同的亮度。相關(guān)因素：光源強(qiáng)度物體朝向物體表面反射系數(shù)光照方程：漫反射漫反射（DiffuseReflection）點(diǎn)光源：向周圍所有方向發(fā)射等強(qiáng)度的光漫反射光是由物體表面的粗糙不平引起的，它均勻地向各個(gè)方向傳播，與視點(diǎn)無關(guān)漫反射光在空間均勻分布，反射光強(qiáng)I與入射光的入射角θ的余弦成正比，即：

其中，Kd是漫反射系數(shù)（0～1之間的常數(shù)），與物體表面性質(zhì)有關(guān)；Ip是入射光（光源）的光強(qiáng)；θ是入射光的入射角，即入射光與物體表面法向量之間的夾角。漫反射（DiffuseReflection）漫反射（續(xù)）設(shè)物體表面在照射點(diǎn)P處的單位法向量為N，P到點(diǎn)光源的單位向量為L(zhǎng)，則上式可表達(dá)為如下的向量形式：如果有多個(gè)光源，則可以把各個(gè)光源的漫反射光照效果進(jìn)行疊加：漫反射（續(xù)）如果有多個(gè)光源，則可以把各個(gè)光環(huán)境光與漫反射光結(jié)合方程：例子：環(huán)境光與漫反射光結(jié)合鏡面反射（SpecularReflection）鏡面反射由于表面光滑的物體對(duì)入射光的反射形成的對(duì)于理想鏡面，反射光集中在一個(gè)方向，并遵守反射定律。對(duì)一般的光滑表面，反射光集中在一個(gè)范圍內(nèi)，且由反射定律決定的反射方向光強(qiáng)最大。因此，對(duì)于同一點(diǎn)來說，從不同位置所觀察到的鏡面反射光強(qiáng)是不同的。高光現(xiàn)象：鏡面反射光在反射方向附近形成很亮的光斑鏡面反射（SpecularReflection）理想鏡面反射反射光與入射光位于表面法向兩側(cè)理想反射面而言：入射角＝反射角觀察者只有在反射方向上才能看到反射光理想鏡面反射非理想鏡面反射對(duì)一般的光滑表面，反射光集中在一個(gè)范圍內(nèi)，由反射定律決定的反射方向光強(qiáng)最大。對(duì)于同一點(diǎn)來說，從不同位置所觀察到的鏡面反射光強(qiáng)是不同的。光照方程：Ks是物體表面鏡面反射系數(shù)，它與入射角和波長(zhǎng)有關(guān)；α是視線與反射方向的夾角；

n為鏡面高光系數(shù)，用來模擬鏡面反射光在空間中的匯聚程度，它是一個(gè)反映物體表面光澤度的常數(shù)；

非理想鏡面反射Ks是物體表面鏡面反射系數(shù)，它與入射角和波長(zhǎng)有n=15n=5n=1n

常規(guī)取值5~20鏡面高光系數(shù)n的影響效果n=15n=5光照效果比較光照效果比較簡(jiǎn)單光照模型簡(jiǎn)單光照模型簡(jiǎn)單光照明模型模擬物體表面對(duì)光的反射作用。光源被假定為點(diǎn)光源，反射作用被細(xì)分為鏡面反射(SpecularReflection)和漫反射(DiffuseReflection)。模型只考慮物體對(duì)直接光照的反射作用，而物體間的光反射作用，只用環(huán)境光(AmbientLight)來表示簡(jiǎn)單光照模型簡(jiǎn)單光照模型Phong光照模型由物體表面上點(diǎn)P反射到視點(diǎn)的光強(qiáng)I=環(huán)境光的反射光強(qiáng)Ie

+理想漫反射光強(qiáng)Id

+鏡面反射光IsPhong光照模型真實(shí)感圖形繪制技術(shù)方案Phong光照模型光的衰減從光源到物體表面過程中的衰減從物體表面到人眼過程中的衰減多個(gè)點(diǎn)光源：Phong光照模型Phong模型特點(diǎn)分析模型簡(jiǎn)單，便于實(shí)時(shí)繪制是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以達(dá)到一定的真實(shí)度還具有以下的一些問題用Phong模型顯示出的物體像塑料，沒有質(zhì)感環(huán)境光是常量，沒有考慮物體之間相互的反射光鏡面反射的顏色是光源的顏色，與物體的材料無關(guān)鏡面反射的計(jì)算在入射角很大時(shí)會(huì)產(chǎn)生失真Phong模型特點(diǎn)分析多邊形著色方法均勻著色(FlatShading)光滑著色（SmoothShading）在每一個(gè)多邊形的頂點(diǎn)處計(jì)算合適的光照明強(qiáng)度或參數(shù)，然后在各個(gè)多邊形內(nèi)部進(jìn)行均勻插值，得到多邊形的光滑顏色分布Gouraud方法用多邊形頂點(diǎn)的顏色進(jìn)行插值生成中間點(diǎn)的顏色Phong方法對(duì)頂點(diǎn)的法向量進(jìn)行插值計(jì)算出中間點(diǎn)的法向量多邊形著色方法均勻著色(FlatShading)均勻著色(FlatShading)方法任取多邊形上一點(diǎn)，利用光照方程計(jì)算出它的顏色用這個(gè)顏色填充整