《線上線下混合式計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)實驗教程》課件-第8章

第8章幾何圖元消隱8.1實驗內(nèi)容簡述和實驗?zāi)繕?biāo)8.2

z緩沖消隱8.3背面剔除消隱8.4課外拓展性實驗

8.1實驗內(nèi)容簡述和實驗?zāi)繕?biāo)

基本實驗內(nèi)容包括：z緩沖消隱、背面剔除消隱。同時，配備了一個課外拓展性實驗。完成本實驗后，讀者能夠：

(1)熟記和描述圖像空間消隱和景物空間消隱的原理(布魯姆知識模型：記憶、理解)；

(2)熟記和描述z緩沖消隱的原理和過程(布魯姆知識模型：記憶、理解)；

(3)熟記和描述背面剔除消隱的原理和計算過程(布魯姆知識模型：記憶、理解)；

(4)結(jié)合OpenGL能實現(xiàn)背面剔除消隱和z緩沖消隱(布魯姆知識模型：應(yīng)用)。

8.2

z緩?沖?消?隱

z緩沖算法也叫深度緩沖器算法，通常包括幀緩沖器和z緩沖兩部分(見圖8-1)。在OpenGL里分別對應(yīng)以下兩個矩陣。

(1)?Intensity(x，y)：屬性矩陣(幀緩沖器)，存儲每個像素的光強或顏色。

(2)?Depth(x，y)：深度矩陣(z緩沖)，存放每個像素對應(yīng)圖形上的點相對于視點的距離值，默認(rèn)為該點的z值。

圖8-1

z緩沖算法存儲圖示

如圖8-2所示，假定xoy坐標(biāo)軸平面為投影面，z軸負(fù)方向為觀察方向。過投影面上任意一點(x，y)，對應(yīng)屏幕上的一個像素點，作平行于z軸的射線R，與圖形表面分別相交于p1和p2。p1點和p2點的z值稱為該點的深度值。z緩沖算法比較p1點和p2點的z值，將最大的z值存入z緩沖中。顯然，p1點相對于p2點更加接近視點，z值更大，因此，(x，y)這一點將取圖形p1點的顏色。

圖8-2深度判斷圖示

1.實驗過程描述

本書取一個平行于xoy坐標(biāo)軸平面作為投影面，視點放置于世界坐標(biāo)系z軸正向的某個位置上。視點坐標(biāo)系則是架設(shè)在視點上的標(biāo)準(zhǔn)右手正交坐標(biāo)系，它由三個相互垂直的單位向量u、v、n組成。其中：向量n垂直于投影面，代表視線方向；向量v平行于世界坐標(biāo)系中的y軸；向量u

=?n

×?v。

在OpenGL平臺上，通過glEnable和glDepthFunc兩個函數(shù)實現(xiàn)場景根據(jù)深度信息進行動態(tài)消隱。glEnable(GL_DEPTH_TEST)允許OpenGL開啟深度測試判圖形之間沿視線方向的遮擋關(guān)系或深度關(guān)系；glDepthFunc設(shè)置目標(biāo)像素與當(dāng)前像素顏色的替代規(guī)則，其輸入?yún)?shù)及含義如表8-1所示。

2.案例效果

如圖8-3(a)所示，球的中心在原點，半徑為30；長方體的一個頂點與原點重合，長寬高分別為80、40、50。在這里使用glDepthFunc(GL_LEQUAL)，最終效果如圖8-3(b)所示。

圖8-3開啟深度緩存效果圖

圖8-3(a)中未開啟深度緩存，球和長方體之間的深度關(guān)系比較晦澀，沿視線方向未展現(xiàn)出交叉干涉效果或正確的遮擋效果。開啟深度緩存后，圖8-3(b)中球與長方體交叉干涉和遮擋清晰明確。在未開啟深度緩存時，窗口展現(xiàn)的內(nèi)容會隨著三維圖形繪制先后順序的不同而不同，即對于存在空間重疊的兩個三維圖形，先繪制的三維圖形往往會被后繪制的三維圖形所遮擋，如圖8-4所示。通過深度緩存，能避免上述情況，無論繪制順序如何，效果始終如一，如圖8-3(b)所示。

圖8-4三維圖形繪制先后順序不同效果圖

8.3背面剔除消隱

三維圖形通常由很多離散的(網(wǎng)格)面構(gòu)成。為了提高圖形的繪制效率，在背面剔除算法中，背對視點的面(即背面)會被剔除出投影操作，僅確保面向視點的面。為了判斷一個面是否需要剔除，通常依據(jù)視線方向v(vx，vy，vz)與該面的法向量n(nx，ny，nz)所成角度進行確定。如圖8-5所示，令θ為視線方向v和法向量n的夾角。當(dāng)夾角θ∈[-90°，90°]時，即兩向量的余弦值大于0，則表明面背對視點，需要被剔除。否則，當(dāng)θ∈[-180°，-90°)或θ∈(90°，180°]時，即兩向量的余弦值小于等于0，則表明是可見面，應(yīng)該被繪制。

圖8-5背面剔除算法示意圖

1.關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

自定義如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用以表示三維圖形的一個面。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于本章后續(xù)所有相關(guān)實驗。

2.關(guān)鍵代碼實現(xiàn)

3.案例效果

采用背面剔除算法繪制圖8-6(a)對應(yīng)的三維圖形(封閉)，并給每個面填上顏色便于觀察，最終效果如圖8-6(b)所示。

背面剔除在一些情況下并不能正確剔除不可見面。如圖8-6(a)所示，箭頭所指的三個右側(cè)面法向量相等，根據(jù)背面剔除算法，這三個平面會同時顯示，而繪制效果則由系統(tǒng)默認(rèn)采用的深度排序算法決定。