真實感圖形生成

計算機圖形學(xué)高級話題--真實感圖形生成講授主要內(nèi)容：引言消隱真實感圖形的繪制實時真實感圖形學(xué)技術(shù)總結(jié)引言對于場景中的物體、要得到它的真實感圖形，就要對它進行透視投影，并消除隱藏面，然后計算可見面的光照明暗效果，最后在計算機中繪制出讓觀察者有身臨其境感覺的圖形.真實感圖形的繪制步驟1.場景造型采用數(shù)學(xué)方法建立三維場景的幾何描述并輸入到計算機。2.視域裁剪、消除隱藏面確定景物中的所有可見面，將視域之外或其它景物遮擋的不可見面消除。3.取景變換、透視投影將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維透視圖的內(nèi)容。4.繪制真實感圖形根據(jù)一定的光照模型和光強度計算，將其轉(zhuǎn)換為適合圖形設(shè)備的顏色值，生成投影畫面上每個像素的光強度，讓觀察者產(chǎn)生身臨其境的感覺。

消隱消隱的概念消隱算法分類消隱算法深度緩存器算法區(qū)間掃描線算法深度排序算法區(qū)域細(xì)分算法光線投射算法BSP樹算法多邊形區(qū)域排序算法消隱的概念用計算機生成三維物體的真實圖形，在用顯示設(shè)備描述物體的圖形時，必須把三維信息經(jīng)過某種投影變換，在二維的顯示表面上繪制出來。由于投影變換失去了深度信息，往往導(dǎo)致圖形的二義性。要消除二義性，就必須在繪制時消除被遮擋的不可見的線或面，習(xí)慣上稱作消除隱藏線和隱藏面，或簡稱為消隱。消隱實例消隱實例

物體的線框圖經(jīng)消隱處理后的圖形消隱算法分類按其實現(xiàn)方式分為：圖像空間消隱算法圖像空間(屏幕坐標(biāo)系)消隱算法以屏幕像素為采樣單位，確定投影于每一個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。景物空間消隱算法直接在景物(觀察坐標(biāo)系)中確定視點不可見的表面區(qū)域，并將它們表達(dá)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(xì)分算法、光線投射算法等。

排序：各景物表面按照距離視點遠(yuǎn)近排序，排序結(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?；镜脑瓌t

9.1深度緩存器算法（

Z-buffer）基本原理幀緩存：保存各像素點的顏色。Z緩存：保存屏幕坐標(biāo)系上各像素點所對應(yīng)的深度值。

深度緩存器算法（

Z-buffer）圖9.1深度緩存器算法的原理觀察方向：Z軸負(fù)向

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(yīng)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：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。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。

深度緩存器算法（

Z-buffer）圖9.2利用掃描線的連貫性加快深度的計算

深度緩存器算法（

Z-buffer）掃描線上所有后繼點的深度值：當(dāng)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最小）交點的x值可以利用上一條掃描線上的最左邊的x值計算：

深度緩存器算法（

Z-buffer）掃描線深度緩存器算法：增加多邊形表

深度緩存器算法（

Z-buffer）優(yōu)點簡單便于硬件實現(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

深度緩存器算法（

Z-buffer）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

9.2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

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(yīng)包含各多邊形的邊與掃描線的交點，而且應(yīng)包含這些貫穿邊界與掃描線的交點。循環(huán)遮擋：將多邊形進行劃分以消除循環(huán)遮擋。

區(qū)間掃描線算法圖9.5多邊形貫穿和循環(huán)遮擋的情形算法原理：算法約定距視點近的優(yōu)先級高，距視點遠(yuǎn)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(dá)到消隱的效果。算法的關(guān)鍵是多邊形排序。

9.3深度排序算法（畫家算法）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(xì)分為若干較小的區(qū)域，并把上述推斷原則遞歸地應(yīng)用到每個較小的區(qū)域中去。

9.4區(qū)域細(xì)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

區(qū)域細(xì)分算法可見性測試1、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。2、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(yīng)多邊形的顏色值填入對應(yīng)像素點的幀緩存中。3、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(biāo)，如果存在一個圍繞多邊形，它的4個z坐標(biāo)比其它任何多邊性的z坐標(biāo)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。

9.4區(qū)域細(xì)分算法圖9.7滿足測試條件3的兩個例子

9.4區(qū)域細(xì)分算法算法原理圖9.8光線投射算法

9.5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。

光線投射算法BSP（BinarySpacePartition）算法原理圖9.9BSP樹算法原理

9.6BSP樹算法算法原理

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。

9.7多邊形區(qū)域排序算法基本概念光照模型（Illuminationmodel），也稱明暗模型，主要用于物體表面某點處的光強度計算。簡單的光照模型復(fù)雜的光照模型光強（度）：描述物體表面朝某方向輻射光的顏色，它既能表示光能大小又能表示其色彩組成的物理量。光照模型的分類簡單的光照模型：僅考慮光源照射在物體表面產(chǎn)生的反射光，并且常假設(shè)物體表面是光滑的，所以生成的圖形可以模擬出不透明物體表面的明暗過渡，具有一定的真實感。復(fù)雜的光照模型：除了考慮反射光外，還要考慮透明度、光源的位置和個數(shù)等，這種光照模型被稱為整體光照模型，它能模擬出鏡面影像、透明等光照效果，可以繪制更接近自然景物的圖形。簡單的光照模型與復(fù)雜光照模型的比較

簡單光照模型繪制效果復(fù)雜光照模型繪制效果簡單光照模型中只考慮反射光的作用。反射光由環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光三部分組成。簡單的光照模型特點：照射在物體上的光來自周圍各個方向，又均勻地向各個方向反射。P點對環(huán)境光的反射強度為圖1環(huán)境光的反射環(huán)境光（BackgroundLight）一個粗糙的、無光澤的表面呈現(xiàn)為漫反射。特點：光源來自一個方向，反射光均勻地射向各個方向。由Lambert余弦定理可得點P處漫反射光的強度為：若L和N都已規(guī)范化為單位矢量，則有圖2漫反射漫反射光（DiffuseReflection）對于彩色對于多個漫反射光源漫反射光（DiffuseReflection）鏡面反射遵循反射定律，入射光和反射光分別位于表面法向的兩側(cè)。如果觀察者正好處在P點的鏡面反射方向上，就會看到一個比周圍

亮得多的高光點。圖3鏡面反射鏡面反射光（specularreflection）鏡面反射情況由Phong模型給出：圖3鏡面反射若R和V已規(guī)范化為單

位矢量，則：鏡面反射光從視點觀察到物體上任一點P處的光強度I應(yīng)為環(huán)境光反射光強度Ie、漫反射光強度Id以及鏡面反射光的光強度Is的總和：多個點光源物體表面光強計算光在傳播的過程中，其能量會發(fā)生衰減。光照模型中必須考慮光強衰減，否則會影響生成圖形的真實效果。光強的衰減可以采用常數(shù)衰減、一次函數(shù)衰減和二次函數(shù)衰減等。常用的二次衰減函數(shù)光強衰減選擇顏色模型（colormodel）面向硬件的顏色模型：RGB、CMY面向視覺感知的顏色模型：HSI為顏色分量指定光照模型顏色以RGB顏色模型為例環(huán)境光強度：入射光強度：環(huán)境光反射系數(shù)：漫反射系數(shù)：鏡面反射系數(shù)：顏色光強計算公式：顏色恒定光強Gouraud明暗處理Phong明暗處理10.2基于簡單光照模型的多邊形繪制只用一種顏色繪制整個多邊形的前提條件光源在無窮遠(yuǎn)處，則多邊形上所有點的L?N為常數(shù)，衰減函數(shù)也是一個常數(shù)。視點在無窮遠(yuǎn)處，則多邊形上所有點的V?R為常數(shù)。多邊形是景物表面的精確表示，即不是一個含曲線面景物的近似表示。缺點：相鄰多邊形法矢量不同，造成不連續(xù)。恒定光強Gouraud明暗處理方法，又稱為亮度插值明暗處理，它通過對多邊形頂點顏色進行線性插值來繪制其內(nèi)部各點，其步驟為：計算每個多邊形頂點處的平均單位法矢量；對每個頂點根據(jù)恒定光強模型來計算其光強；在多邊形表面上將頂點強度進行線性插值。Gouraud明暗處理雙線性插值方法圖4Gouraud明暗處理的雙線性插值Gouraud明暗處理Gourand方法光滑處理示例

線框圖恒定光強繪制圖Gourand方法光滑處理后圖形Phong明暗處理方法，又稱為法矢量插值明暗處理，它對多邊形頂點的法矢量進行插值以產(chǎn)生中間各點的法矢量，其步驟為：計算每個多邊形頂點處的平均單位法矢量；用雙線性插值方法求得多邊形內(nèi)部各點的法矢量。最后按光照模型確定多邊形內(nèi)部各點的光強。Phong明暗處理矢量雙線性插值方法圖5Phong明暗處理的矢量雙線性插值Phong明暗處理Phong方法光滑處理示例

線框圖恒定光強繪制圖Phong方法光滑處理后圖形明暗處理示例牛的三角網(wǎng)格模型用簡單光照明模型顯示明暗處理后模型顯示10.3透明處理圖6透明表面的光強包括反射光和折射光圖7簡單的透明處理（無折射）透明處理圖8光的折射透明處理10.4產(chǎn)生陰影陰影是由于物體截斷了光線而產(chǎn)生的，所以如果光源位于物體一側(cè)的話，陰影總是位于物體的另一側(cè)，也就是與光源相反的一側(cè)。從理論上來說，從視點以及從光源看過去都是可見的面不會落在陰影中，只有那些從視點看過去是可見的，而從光源看過去是不可見的面，肯定落在陰影之內(nèi)。產(chǎn)生陰影產(chǎn)生具有陰影的圖形繪制算法將視點移到光源位置，用多邊形區(qū)域排序消隱算法，將多邊形分成兩大類：向光多邊形和背光多邊形。將視點移到原來的觀察位置，對向光多邊形和背光多邊形進行消隱，并選用一種光照模型計算多邊形的亮度，就可得到有陰影效果的圖形。10.5模擬景物表面細(xì)節(jié)顏色紋理：通過顏色色彩或明暗度的變化體現(xiàn)出來的表面細(xì)節(jié)。幾何紋理：由于不規(guī)則的細(xì)小凹凸造成的。顏色紋理取決于物體表面的光學(xué)屬性，而幾何紋理由物體表面的微觀幾何形狀決定。用多邊形模擬表面細(xì)節(jié)紋理的定義和映射10.5模擬景物表面細(xì)節(jié)簡單地模擬景物表面細(xì)節(jié)的方法是用多邊形，稱為表面圖案多邊形，來模擬紋理的結(jié)構(gòu)和模式。處理時，首先根據(jù)待生成的顏色紋理構(gòu)造表面圖案多邊形，然后將表面圖案多邊形覆蓋到物體的表面上。多邊形模擬表面細(xì)節(jié)生成顏色紋理的一般方法，是預(yù)先定義紋理模式，然后建立物體表面的點與紋理模式的點之間的對應(yīng)。當(dāng)物體表面的可見點確定之后，以紋理模式的對應(yīng)點參與光照模型進行計算，就可把紋理模式附到物體表面上。這種方法稱為紋理映射（TextureMapping）。紋理映射和定義上圖是紋理映射場景的一個部分，其中墻的磚塊紋理和地板的木條紋理都是二維圖象。

照片