真實感圖形顯示四

真實感圖形顯示真實感圖形顯示簡述線和面的消隱光照模型光線跟蹤文理映射顏色模型真實感圖形顯示——簡述野外場景模擬小區(qū)規(guī)劃設(shè)計機械設(shè)備仿真室內(nèi)裝修展示真實感圖形顯示——簡述生成真實感圖形的基本步驟：

（1）構(gòu)建模型用數(shù)學(xué)方法建立實體三維模型,并存儲到系統(tǒng)中；（2）投影變換將實體模型轉(zhuǎn)換到三維觀察坐標系中；（3）消隱處理用消隱技術(shù)去除視景外的和實體上不可見的面；（4）光照處理建立光照模型生成真實感圖形。消隱消隱算法——確定視點后，將物體上不可見的點、線、面消去的算法。消隱算法分類：按操作對象的不同表達方式：對象空間方法（objectspacemethod）圖像空間方法（imagespacemethod）從應(yīng)用角度：線的消隱（Hidden-Line）面的消隱（Hidden-Surface）消隱算法對象空間是三維空間，對象空間法通過分析對象的三維特性之間的關(guān)系來確定是否可見。圖像空間是對象投影后所在的二維空間，圖像空間法將對象投影后分解為像素，按照一定的規(guī)律，比較像素之間的z值，從而確定是否可見線消隱（Hidden-Line）凸多面體的隱藏線消除組成凸多面體的面的方程為（8.1）為多面體內(nèi)一點為P0在平面i上的垂足，則有線消隱（Hidden-Line）根據(jù)向量點積的幾何意義得它們的夾角為180°，因此法矢量指向物體外部設(shè)式(8.1)所定義的凸多面體在以視點為頂點的四棱錐內(nèi)，視點與第i個面上一點的連線的方向為。當時，平面i為自隱藏面一般取視點為z軸負無窮遠點，那么在xoy平面上，視線方向為（0,0,1），所以ci>0所對應(yīng)的面為自隱藏面。任意自隱藏的交線為自隱藏線。線消隱（Hidden-Line）凹多面體的隱藏線消除消除隱藏線問題可歸結(jié)為：對于空間一條線段P1P2和多邊形a，判定線段是否被多邊形遮擋。1、無交點

1）分離——無隱藏關(guān)系

2）在多邊形內(nèi)——線段在多邊形前線段在多邊形后判定方法Z軸：射線線消隱（Hidden-Line）2、有交點多邊形的邊把線段分割成子線段，判斷子線段的隱藏性：判定子線段是否落在多邊形投影內(nèi)，排除完全可見的子線段線段投影被分為若干子線段可見子線段的確定t11t32t12t13t14t31t15t16t21t22t33t34t41t42t51t52t53t54t43t44面消隱（Hidden-surface）裁剪多邊形被裁剪多邊形內(nèi)部多邊形外部多邊形面消隱（Hidden-surface）深度緩存算法(Z-Buffer)幀緩沖區(qū)置成背景色；Z緩沖區(qū)置成最小Z值；

for(各個多邊形){掃描轉(zhuǎn)換該多邊形；

for(多邊形所覆蓋的每個像素(x,y)){計算多邊形在該像素的深度值

if(Z(x,y)大于Z緩沖區(qū)在(x,y)處的值){把Z(x,y)存入Z緩沖區(qū)的(x,y)處；把多邊形在(x,y)處的亮度值存入幀緩沖區(qū)的(x,y)處；

}}}面消隱（Hidden-surface）Z緩沖區(qū)示意圖光照模型光源特性和物體表面特性決定了物體表面色彩和明暗變化。1、光源特性Color_light=(Ir,Ig,Ib)Ir,Ig,Ib分別是RGB三色光的強度（1）光的色彩（2）光的強度I=0.3*Ir+0.59*Ig+0.11*Ib光照模型1、光源特性（3）光的方向（直射光和漫射光）

1）點光源（pointlightsource）從一點像各個方向發(fā)光（eg燈泡）

2）分布式光源（distributed）從一個面向一個方法發(fā)光（eg太陽）

3）漫射光源（ambient）從一個面上的每個點向各個方向發(fā)光（eg地面）點光源分布式光源漫射光源光照模型2、物體表面特性（1）反射系數(shù)反射系數(shù)由物體表面的材料和形狀決定，反射系數(shù)分為漫反射（diffusereflection）系數(shù)和鏡面（specular）反射系數(shù)。

1）漫反射系數(shù)記為Kd，表示物體表面向各個方向漫反射光線的能力。可分解為Kd-r,Kd-g,Kd-b,Kd介于0~1之間。

2）鏡面反射系數(shù)記為Ks，表示物體表面沿著鏡面方向反射光線的能力。i實驗證明：物體表面的顏色主要由光源的色彩和漫反射系數(shù)來模擬，鏡面反射系數(shù)主要反映物體表面產(chǎn)生高光的現(xiàn)象。光照模型2、物體表面特性（2）透射系數(shù)投射系數(shù)記為Tp，表示物體透射光的能力。Tp介于0~1之間。1表示完全透明，0表示完全不透明。（3）表面方向:物體表面的方向用法線N表示，N=（A,B,C）光照模型及其實現(xiàn)光照模型描述物體表面的色彩明暗同光源特性、物體表面特性之間的關(guān)系。1、漫射(disffuse)光線的情況物體表面的色彩明暗與表面形狀無關(guān)，僅與表面的反射系數(shù)有關(guān)。漫射光源照明模型光照模型及其實現(xiàn)2、鏡面反射情況物體表面的明暗隨表面法矢量和入射光線的夾角θ的改變而變化。sθ光照模型及其實現(xiàn)鏡面反射系統(tǒng)W(θ)與入射角θ的關(guān)系N與高光區(qū)域大小的關(guān)系光照模型及其實現(xiàn)3、透射光線的情況單一直射光源情況下，物體表面P點處所發(fā)光強計算機公式光照模型及其實現(xiàn)1）求cosiθs2）求cossphong

（1）根據(jù)反射定律，入射光、表面法線和反射光必在同一平面上，且入射角等于反射角。1>先作變換T，將坐標原點移至p點，z軸指向P點的法線方向2>在新坐標系下，入射矢量和反射矢量的z分量相等，x、y分量大小相等，方向相反。光照模型及其實現(xiàn)R單位矢量的求法3>作逆變換T-1，1>先作變換T，將坐標原點移至p點，z軸指向光線入射的反方向2>在新坐標系下，由于在同一平面內(nèi)，L向單位矢量和z軸重合，因此N和R向單位矢量在xoy平面的投影n和r在同一條直線上（2）Phong的方法光照模型及其實現(xiàn)R單位矢量的求法光照模型及其實現(xiàn)令則根據(jù)單位矢量的性質(zhì)（4.7）（4.8）（4.9）（4.10）（4.11）光照模型及其實現(xiàn)將式（4.11）和（4.8）共同帶入式（4.9），得將式（4.10）帶入式（4.12），得(4.12)于是得入式（4.7），得3>作逆變換T-1，(4.13)(4.14)Phong光照模型綜合上面介紹的光反射作用的各個部分，Phong光照明模型有這樣的一個表述：由物體表面上一點P反射到視點的光強I為環(huán)境光的反射光強Ie、理想漫反射光強Id、和鏡面反射光Is的總和，即：

在這種簡化下，由于對所有的點總共只需計算一次H的值，節(jié)省了計算時間。結(jié)合RGB顏色模型，Phong光照明模型最終有如下的形式：光照模型及其實現(xiàn)明暗的光滑處理1、Gourand方法亮度插值方法2、Phong法線方向插值法光線跟蹤光線跟蹤示意圖視線法線反射投射P0視線在p0處的反射和投射光線跟蹤VP0P2P1P3rrrrttt光線跟蹤樹PiIGIrItNIVPi點所受到的光照陰影的生成對于隱藏面消除算法，是從觀察點看，確定哪些表面是可見的。而對于陰影發(fā)現(xiàn)算法，是從點光源“看”，確定哪些表面是可見的。從觀察點和從點光源都能看見的表面，就是可見的表面。從觀察點可見，而從點光源不可見的表面，就在陰影之中。應(yīng)當注意，這種簡便方法不能構(gòu)造出來自分布光源的陰影。如果要把分布光源造成的陰影也考慮進去，則必須計算陰影的本影和半影。陰影可以分為本影和半影。本影：景物表面上未被任何光源直接照射到的區(qū)域。半影：景物表面被部分光源照射但沒被全部光源照射到的半明半暗的區(qū)域。點光源：光線由光源出發(fā)向四周發(fā)散，和場景中物體相比，光源很小且距離景物足夠遠。分布式光源：光源與場景中的物體相比不夠小，且距景物較近，這時需計算光源外表面各點所共同產(chǎn)生的光照。單一點光源只能產(chǎn)生本影。而線光源、面光源或分布式光源可同時產(chǎn)生本影和半影。陰影的生成本影半影無影分布式光源

本影的計算簡單，半影計算復(fù)雜。我們只考慮本影的計算。陰影的生成陰影的生成當要表現(xiàn)一個客體時，可以分別對觀察點及各點光源實施同樣的消除隱藏面的算法，分別對觀察點及各點光源確定出相應(yīng)的可見部分和不可見部分，然后把所得結(jié)果進行整理，通過正確形成明暗而表現(xiàn)出來。當要對同一物體從許多不同觀察點進行觀察時，對所看到的一系列情形，可以只做一次發(fā)現(xiàn)陰影的計算，因為當點光源相對物體是固定時.陰影實際上和觀察點的位置無關(guān)。計算陰影還有許多其他的方法。對由多邊形表面組成的客體,是對從光源來說是完全可見或者部分可見的多邊形,都附加上另一個與之共面的多邊形,稱為細碎多邊形.

計算細碎多邊形的方法,是用遮擋光線多邊形的投影,相對多邊形表面,用對多邊形進行剪裁的算法進行剪裁.

下圖示意說明了這種情況.圖中在立方體和光源之間有一個不透明的三角形面,立方體有兩個面產(chǎn)生了陰影,在那兩個面上附加上了細碎多邊形.陰影的生成光源在無窮遠處投射陰影的多邊形細碎多邊形位于立方體頂面的陰影位于多邊形前面的陰影完全位于陰影中的面，因而并不加上細碎多邊形顏色模型——顏色的特性顏色是一種波動的光能形式，從光學(xué)角度看，光在本質(zhì)上是電磁波。英國科學(xué)家牛頓于1666年通過用三棱鏡做實驗證明了白光是所有可見光的組合。并發(fā)現(xiàn)了色散現(xiàn)象。依次按波的順序排列的彩色光帶，就稱為光譜。顏色模型——顏色特性顏色有如下三個特性：色調(diào)、飽和度和亮度。從物理光學(xué)的角度出發(fā)，顏色可以用主波長、純度和明度來定義。RGB模型

RGB顏色模型通常使用于彩色陰極射線等彩色光柵圖形顯示設(shè)備中，它是我們使用最多最熟悉的顏色模型。紅、綠、藍原色是加性原色，各個原色混合在一起可以產(chǎn)生復(fù)合色。

RGB顏色模型通常采用單位立方體來表示。顏色模型——模型類型CMY顏色模型以紅、綠、藍的補色青、品紅、黃為原色構(gòu)成，常用于從白光中濾去某種顏色，又被稱為減性原色系統(tǒng)。

CMY顏色模型也采用單位立方體來表示。與RGB顏色模型相似。

CMY顏色模型常用于印刷硬拷貝設(shè)備。顏色模型——模型類型顏色模型——顏色實現(xiàn)計算機顏色RGBA方式存儲和顏色索引模式

RGBA模式中的R、G、B、A數(shù)值對應(yīng)于每—個像素點，而在顏色索引模式中，對應(yīng)于每個像素點的是單個數(shù)值(稱為顏色索引)。顏色數(shù)據(jù)是由幀緩沖區(qū)的位平面(bitplane)數(shù)量決定在每個像素中，1個位平面表示1位數(shù)據(jù)。屏幕窗口坐標以像素為單位，像素的顏色是通過用一系列OpenG