圖形學(xué)期末復(fù)習(xí).doc

第一章 1、圖形：圖形都是真實(shí)物體或想象物體的可視化顯示與表示。計算機(jī)圖形包括點(diǎn)、線、面、體、明暗、灰度、色彩、顏色、材質(zhì)2、圖像：是記錄在介質(zhì)上面客觀對象的映像。3、計算機(jī)圖形學(xué)是研究通過計算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科 。4、計算機(jī)圖形學(xué)研究內(nèi)容:建模：在計算機(jī)圖形學(xué)，建模與表示是一個通用詞匯，用于建立物體的三維計算機(jī)圖形學(xué)表示，即用于表示物體的技術(shù)、方法或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其最終產(chǎn)品并不是二維圖像而是真實(shí)的三維物體。繪制：該術(shù)語來自藝術(shù)領(lǐng)域，這里主要指對建模表示后的物體進(jìn)行可視化，即根據(jù)三維計算機(jī)模型生成帶陰影的圖像。動畫：利用圖像序列，產(chǎn)生物體運(yùn)動的視覺效果的一種技術(shù)，這里也要用到建模和繪制，但控制時間這個關(guān)鍵問題在基本建模和繪制中一般是不考慮的。5、 計算機(jī)圖形學(xué)相近領(lǐng)域: 人機(jī)交互：在輸入設(shè)備（如鼠標(biāo)、寫字板等）、應(yīng)用程序和以圖形或者其他感官方式向用戶發(fā)送的反饋之間建立接口。 虛擬現(xiàn)實(shí)：試圖讓用戶置身于三維虛擬世界。為了產(chǎn)生這種效果，系統(tǒng)至少有立體顯示，并對頭部運(yùn)動產(chǎn)生反應(yīng)。真正的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還要有聲音反饋和力反饋。 可視化：試圖通過視覺顯示讓用戶看得更明白。6、 相關(guān)技術(shù)a) 基于圖形設(shè)備的基本圖形元素生成算法b) 圖形變換與裁剪 c) 幾何造型技術(shù)d) 圖形信息的存儲、檢索和交換技術(shù)e) 人機(jī)交互及用戶接口技術(shù)f) 動畫技術(shù)g) 圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)h) 圖形標(biāo)準(zhǔn)和圖形軟件包的研究開發(fā)7、 計算機(jī)圖形學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系:8、 計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域計算機(jī)輔助設(shè)計與制造 CAD&CAM計算機(jī)仿真和模擬 Simulation娛樂動畫 Movie &Game地理信息系統(tǒng) GIS 表現(xiàn)在：遙感圖像信息的自動提取，地理系統(tǒng)建模，地理信息的智能分析，地表系統(tǒng)的仿真虛擬現(xiàn)實(shí)Virtual Reality9、 計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展a) 誕生(1950-1960 ) 旋風(fēng)I號計算機(jī)的誕生，類似于示波顯示器陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單圖形b) 線框圖形學(xué)（1960-1970）特點(diǎn)是利用直線、曲線等線條來表示物體對象。c) 光柵圖形學(xué)（1970-1980） 充分利用區(qū)域填充來表現(xiàn)線框條所不能表現(xiàn)的復(fù)雜對象。d) 真實(shí)感圖形學(xué)（1980-1990） 簡單光照模型 Phong模型e) 實(shí)時計算機(jī)圖形學(xué)（1990-今） 是在當(dāng)前圖形算法和硬件條件的限制下提出的在一定的時間內(nèi)完成真實(shí)感圖像繪制的技術(shù)。圖形圖像比較：比較內(nèi)容圖形圖像基本元素矢量元素如直線、圓等像素存儲數(shù)據(jù)各個矢量的參數(shù)(屬性)各個像素的灰度/顏色分量實(shí)例工程圖樣照片應(yīng)用領(lǐng)域計算機(jī)輔助設(shè)計圖像處理第二章1、圖形系統(tǒng)=硬件設(shè)備+相應(yīng)的軟件設(shè)備圖形硬件：圖形輸入設(shè)備，圖形輸出設(shè)備（圖形顯示設(shè)備、圖形繪制設(shè)備）圖形軟件：圖形應(yīng)用軟件（圖形生成軟件、圖形處理軟件、圖形用戶接口） 圖形支撐軟件（功能子程序、OS圖形擴(kuò)展、圖形設(shè)備驅(qū)動程序） 圖形應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（圖形數(shù)據(jù)文件、圖形基元模型、幾何描述數(shù)據(jù)）常用圖形輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、光筆、跟蹤球、空間球、操縱桿、數(shù)字化儀特殊應(yīng)用輸入設(shè)備：數(shù)據(jù)手套、觸摸屏、圖像掃描儀、聲頻輸入系統(tǒng)、視頻輸入系統(tǒng)。常用圖像輸出設(shè)備：CRT顯示器(光柵掃描、刷新式隨機(jī)掃描、存儲管式隨機(jī)掃描圖形顯示器)、其他顯示器（LCD液晶、LED發(fā)光二極管、激光、等離子顯示器）圖形硬拷貝設(shè)備：繪圖儀、圖形打印機(jī)、其他設(shè)備（復(fù)印輸出、錄像、縮微膠片輸出設(shè)備）2、圖形系統(tǒng)分三類：用于專業(yè)圖形工作站的圖形系統(tǒng)；用于PC的圖形系統(tǒng)；用于嵌入式設(shè)備的圖形系統(tǒng)；3、常見的顯示硬件設(shè)備：CRT陰極射線管、LCD液晶顯示器、等離子顯示器。4、圖形顯示方式：隨機(jī)掃描顯示、直視存儲管式顯示、光柵掃描顯示。5、基本的圖形硬件流水線像素處理階段幾何處理階段用戶程序圖元二維屏幕坐標(biāo)6、每階段任務(wù)：(1)用戶程序階段一般是把數(shù)據(jù)以圖元的形式提供給圖形硬件(2)幾何處理階段以每個頂點(diǎn)為基礎(chǔ)對幾何圖元進(jìn)行處理，并從三維坐標(biāo)變換為二維坐標(biāo)的過程(3)在光柵階段，屏幕對象先是被傳送到像素處理器進(jìn)行光柵化，再對每個像素進(jìn)行著色，再輸出到幀緩沖區(qū)，最后輸出到屏幕。7、圖形支撐軟件 第一層次是面向系統(tǒng)的，主要解決圖形設(shè)備與計算機(jī)的通訊接口等問題，稱為設(shè)備驅(qū)動程序，包括一些最基本的輸入、輸出程序，事實(shí)上，設(shè)備驅(qū)動程序現(xiàn)在已被作為操作系統(tǒng)一部分，由操作系統(tǒng)或設(shè)備硬件廠商開發(fā)；第二層次是建立在驅(qū)動程序之上，完成圖元的生成、設(shè)備的管理等功能，目前這個層次上的圖形支撐軟件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，如GKS、PHIGS、CGI等；第三層次是在中間層基礎(chǔ)上編寫的，其主要任務(wù)是建立圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義、修改和輸出圖形，它是面向用戶的，要求具有較強(qiáng)的交互功能，使用方便，風(fēng)格好，概念明確，容易閱讀，便于維護(hù)和移植，OpenGL、DirectX便屬于這一層次的軟件。OpenGL是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三維計算機(jī)圖形軟件接口，是一個跨平臺的開放式圖形軟接口。包含幾個庫：核心庫、實(shí)用程序庫、X窗口系統(tǒng)擴(kuò)展庫、windows專用函數(shù)庫、編程輔助庫。第三章3.1 直線的光柵化通常用于直線光柵化的算法有數(shù)值微分法（DDA）、中點(diǎn)畫線法和Bresenham畫線算法。3.11 DDA畫線算法DDA是根據(jù)直線的微分方程來畫直線的 缺點(diǎn)：計算量大1.斜率的絕對值小于1，每次沿x方向增加或減少一個單位2.斜率的絕對值大于1，每次沿y方向增加或減少一個單位3.12 中點(diǎn)畫線算法 中點(diǎn)畫線算法：假設(shè)直線的斜率在0到1之間，若直線在x方向上增加一個光柵單位，則在y方向上的增量只能在0到1之間。設(shè)P（x,y）是直線上的一點(diǎn)，與P點(diǎn)最近的網(wǎng)格點(diǎn)為（xi, yi）,那么，下一個與直線最近的像素只能是正右方的網(wǎng)格點(diǎn)PB（xi+1, yi）或右上方的網(wǎng)格點(diǎn)PT（xi+1,yi+1）兩者之一。再以點(diǎn)M（xi+1, yi+0.5）表示PB和PT的中點(diǎn)，設(shè)Q是直線與垂直線x= xi+1的交點(diǎn)。顯然，若M在Q的下方，則PT離直線較近，應(yīng)取PT為下一個像素點(diǎn)，否則應(yīng)取PB做為下一個像素點(diǎn)，這就是中點(diǎn)畫線算法的基本思想。 3.13Bresenham畫線算法Bresenham畫線算法原理:過各行各列像素中心構(gòu)造一組虛擬網(wǎng)格線，按直線從起點(diǎn)到終點(diǎn)的順序計算直線與各垂直網(wǎng)格線的交點(diǎn)，然后確定該列像素中與此交點(diǎn)最近的像素。若st，則Si比較靠近理想直線，應(yīng)選Si;若st，則Ti比較靠近理想直線，應(yīng)選Ti。3.2 圓的光柵化 3.2.1中點(diǎn)畫圓算法中點(diǎn)畫圓算法的基本原理是：假設(shè)點(diǎn)P（xp,yp）為圓弧上一點(diǎn)，那么，下一個與圓弧最近的像素點(diǎn)只能是正右方的點(diǎn)P1（xp+1,yp）或右下方的點(diǎn)P2(xp+1,yp-1)。令M為P1和P2的中點(diǎn)，易知M的坐標(biāo)為（xp+1,yp-0.5）。顯然，若M在圓內(nèi)，則P1離圓弧近，應(yīng)取為下一個像素點(diǎn)；否則應(yīng)取P2作為下一個像素點(diǎn)。3.2.2Bresenham畫圓算法 Bresenham畫圓算法的基本原理是若Pi-1（xi-1,yi-1）為已經(jīng)選定的點(diǎn)，那么下一個可能的像素點(diǎn)為其正右方的點(diǎn)Si或右下方的點(diǎn)Ti。若Si到圓弧的距離小于Ti到圓弧的距離，則取Si ，反之取 Ti。3.3 區(qū)域填充 P443.3.1多邊形填充算法多邊形的表示方法：頂點(diǎn)表示和點(diǎn)陣表示多邊形填充的方法通常有兩種：射線法，累計角度法。射線法：從V點(diǎn)發(fā)出射線與多邊形P的邊相交，若交點(diǎn)的個數(shù)為奇數(shù)，則V位于P內(nèi)；若為偶數(shù) 則V位于P外。 累計角度法：角度和為0 點(diǎn)在外部，和為2 pi 點(diǎn)在內(nèi)部掃描線算法是效率比較高的多邊形填充方法。利用了區(qū)域的連續(xù)性，掃描線的連續(xù)性和邊的連續(xù)性等3種連續(xù)性。通常是考 大題計算題：(8分)如圖所示多邊形，采用掃描線算法進(jìn)行填充，畫出邊表和活性邊表。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的順序?yàn)椋?ymax；x；deitax；*next（下一個指針）答案：3.3.2邊填充算法邊填充算法的基本原理：對每一條掃描線，依次求與多邊形各條邊的交點(diǎn)，將該掃描線上交點(diǎn)右邊的所有像素求補(bǔ)，并對多邊形的每條邊按一定的順序（逆時針、順時針均可）做此處理。柵欄填充算法的基本原理是：對于每條掃描線與多邊形的交點(diǎn)，將交點(diǎn)與柵欄之間的掃描線上的像素取補(bǔ)，也就是說，若交點(diǎn)位于柵欄左邊，則將交點(diǎn)之右、柵欄之左的所有像素取補(bǔ)；若交點(diǎn)位于柵欄之右，則將柵欄之右、交點(diǎn)之左的所有像素取補(bǔ)。 3.3.3種子填充算法 P52掃描線種子填充算法的基本思想是：從給定的種子點(diǎn)開始，填充當(dāng)前掃描線上種子點(diǎn)所在的區(qū)間，然后確定與這一區(qū)間相鄰的上下兩條掃描線上需要填充的區(qū)間，從這些區(qū)間上各取一個種子點(diǎn)并依次把他們保存起來，作為下次填充的種子點(diǎn)，反復(fù)進(jìn)行這個過程，直到所保存的各區(qū)間都填充完畢。借助于堆棧，掃描線種子填充算法可由以下4個步驟來實(shí)現(xiàn)。（重點(diǎn)）1）將算法設(shè)置堆棧置為空，將給定的種子點(diǎn)（x,y）壓入堆棧；2）如果堆棧為空，算法結(jié)束；否則取棧頂元素（x,y）作為種子點(diǎn)；3）從種子點(diǎn)（x,y）開始，沿縱坐標(biāo)為y的當(dāng)前掃描線向左右兩個方向逐個像素用新的顏色值進(jìn)行填充，直到邊界為止。設(shè)區(qū)間兩邊界的橫坐標(biāo)為x_left,x_right。4）在與當(dāng)前掃描線相鄰的上下兩條掃描線上，以區(qū)間x_left,x_right為搜索范圍，求出需要填充的各個小區(qū)間，把各個小區(qū)間中最右邊的點(diǎn)作為種子點(diǎn)壓入堆棧中，轉(zhuǎn)到步驟2）。3.4 字符表示常用字符：ASCII 美國信息交換用標(biāo)準(zhǔn)代碼 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)信息交換編碼 GB 3212-80字符的圖形兩種表示方法：點(diǎn)陣表示、矢量表示。3.5 反走樣（必考1分）對圖形進(jìn)行光柵化時，用離散的像素顯示連接空間中定義的對象。這種用離散量表示連續(xù)量時引起的失真現(xiàn)象稱為走樣；用于減少或消除走樣的技術(shù)成為反走樣。光柵圖形的走樣現(xiàn)象：產(chǎn)生階梯狀、圖形的細(xì)節(jié)失真、狹小圖形遺失反走樣技術(shù)：提高分辨率的反走樣算法、線段反走樣算法、多邊形反走樣算法 第四章 實(shí)體造型與曲線曲面在工程上經(jīng)常遇到的曲線和曲面有兩種，一種是簡單曲線和曲面，一般為拋物線、雙曲線、橢圓線等，如自由物體在空中的運(yùn)動軌跡，磁力線等，這些曲線可以用函數(shù)方程或參數(shù)方程直接給出；另一種是形狀較為復(fù)雜，如汽車的車身、高速公路的路線等難以用二次方程描述的曲線，稱為自由曲線，一般采用二次混合曲線或三次曲線表示。（書P66）一、曲線的表示形式參數(shù)方程是表示曲線或曲面的主要形式，用它表示具有如下優(yōu)勢：1 方程所描述的曲線的形狀本質(zhì)上與坐標(biāo)系無關(guān)，即曲線的形狀只決定于給定點(diǎn)列之間的關(guān)系。參數(shù)方程把所有坐標(biāo)分量均作為參數(shù)的函數(shù)，使不含坐標(biāo)值的自變量與所有因變量(各坐標(biāo)分量)完全分開。2 容易確定曲線的邊界。無論曲線有多長，其參數(shù)的區(qū)間都可以固定到一個范圍，如一般采用規(guī)格化區(qū)間0,1，其參數(shù)為0或?yàn)?就代表了曲線的邊界。3 曲線的繪制簡單。當(dāng)參數(shù)t從0變化到1時，由t值求出的點(diǎn)序列組成的聯(lián)機(jī)就是方程代表的曲線。4 易于變換。對參數(shù)方程表示的曲線或曲面進(jìn)行幾何變換或投影變換，只需要對方程的系數(shù)變換即可,計算量小。5 易于處理斜率無窮大的情形。非參數(shù)方程用斜率表示曲線的變化率，碰到斜率為無窮大的問題就不好解決；而參數(shù)方程采用切向量來表示變化率，不會出現(xiàn)無窮大的情形。（書P66P67）二、曲線的連續(xù)性工程上所用到的曲線一般要求為平滑的樣條曲線。樣條曲線是由多項(xiàng)式曲線段連接而成的曲線，要求相鄰線段的邊界處滿足特定的連續(xù)性條件。10階連續(xù)：記為C0，是指兩個相鄰線段S1（t1）和S2（t2）在連接處的位置連續(xù)，即S1（1）= S2（2）。21階連續(xù)，是指相鄰兩個曲線段S1（t1）和S2（t2）不僅滿足C0連續(xù)，而且在連接處的一階導(dǎo)數(shù)成正比，即S1 （1）= kS2（0） （k為任意實(shí)數(shù)）若k=1時，即S1（t1）的末端切矢與S2（t2）的首端切矢方向相同，長度相等，記為C1；若k1時，S1（t1）的末端切矢與S2（t2）的首端切矢方向相同，長度不同，記為G1。32階連續(xù)，是指兩個相鄰曲線段不僅滿足連續(xù)，而且滿足條件，即Sn2（0）= a Sn1 （1）+b Sn2（1）（a，b均為任意實(shí)數(shù)）記為G2連續(xù)；當(dāng)a=1，b=0時，Sn2 （0）= Sn1 （1），記為C2。（書P67）三、三次參數(shù)曲線1Hermite曲線是通過給定曲線的兩個端點(diǎn)的位置向量P0、P1以及兩個端點(diǎn)處的切線向量R0、R1來描述曲線的，如圖（1）三次Hermite曲線的參數(shù)方程三維空間中的自由曲線用三次參數(shù)方程表示可以用下面的形式：詳見書P67P69，理解它的推導(dǎo)公式以及如何推矩陣。2Bezier曲線Bezier曲線是通過一組多邊形的頂點(diǎn)來定義的，該多邊形又稱Bezier曲線的控制多邊形，其頂點(diǎn)稱為控制點(diǎn)。常用的三次Bezier曲線如圖詳見書P72P74，考試時可能會給我們總的公式，然后要依據(jù)這個公式推出二次、三次Bezier曲線。Bezier曲線的性質(zhì)：（1）端點(diǎn)性質(zhì)（2）對稱性（3）凸包性（4）幾何不變性 幾何不變性指Beizer曲線的形狀不隨坐標(biāo)變換而變化的特性。Beizer曲線的形狀只與各控制頂點(diǎn)的相對位置有關(guān)。因此，在對Bezier曲線進(jìn)行幾何變換時，不需要對曲線上的所有點(diǎn)都進(jìn)行處理，只要先對各控制頂點(diǎn)進(jìn)行幾何變換，然后重新繪制曲線就可以了。 （書P74P75）3B樣曲線Bezier曲線不能做局部修改，B樣曲線可以局部修改，曲線形狀更趨近于特征多邊形。B樣條曲線的定義：二次、三次B樣曲線及其性質(zhì)，詳見書P78P81，其中局部性比較重要。B樣曲線主要考填空與判斷題。四、雙三次參數(shù)曲面1Coons曲面三次Coons曲面是以Hermite曲線的形式定義的。2Bezier曲面Bezier曲面一定過邊上的控制點(diǎn)，它與Bezier曲線類似，Bezier曲面片是由特征多面體的頂點(diǎn)決定的。3B樣條曲面B樣條曲面不過端點(diǎn)，它是B樣條曲線的擴(kuò)展，也是由空間中的特征多面體中的各頂點(diǎn)決定的。（書P84P88） 第五章 圖形變換與觀察一二維幾何變換（P92）：比例變換旋轉(zhuǎn)變換 對稱變換 平移變換錯切變換1.齊次坐標(biāo)（P95）：旋轉(zhuǎn)變換 平移變換 對稱變換2.二維復(fù)合變換：（P96-97）的相對任意直線為對稱軸的對稱變換3.三維復(fù)合變換（P101-102）4.投影變換：投影的分類 ：平行投影和透視投影5.三維觀察流程6.裁剪常用的方法：射線法 累計角度法 叉積符號法Cohen-Sutherland編碼裁剪算法（學(xué)會判斷是在窗口內(nèi)還是窗口外）7.OPENGL圖形變換Opengl中的物體坐標(biāo)一律采用齊次坐標(biāo)（x，y，z，w）所有變換矩陣都采用4*4矩陣平移函數(shù) void glTranslatefd(TYPE x,TYPE y,TYPE z)旋轉(zhuǎn)函數(shù)void glRotatefd(TYPE angle x,TYPE y,TYPE z)比例,反射函數(shù)void glScalefd(TYPE x,TYPE y,TYPE z)第六章6.1.1定位基本交互技術(shù)包括定位、選擇、數(shù)值輸入、文本輸入及三維交互 。定位是指向應(yīng)用程序所描述的二維空間或三維空間中指定一個點(diǎn)的坐標(biāo)。定位的方式有兩種，一種方式是將定位光標(biāo)移動到確定的位置按一下鍵，另一種方式就是用命令輸入點(diǎn)的坐標(biāo)。6.1.2選擇選擇，也就是圖形拾取。點(diǎn)拾取指在待選中的圖形附近位置上按下鼠標(biāo)鍵或鍵盤鍵來發(fā)送選中命令拾取方法：點(diǎn)拾取、線拾取、多邊形線拾取6.2 高級交互技術(shù)a分組與圖層b幾何約束主要包括定位約束、方向約束和規(guī)則性約束c拖動、旋轉(zhuǎn)、縮放和形變d橡皮筯e 雙緩存f全圖的漫游、縮放g三維交互第七章7.1、消隱的概述消除隱藏線或隱藏面的過程稱為消隱處理，簡稱消隱。消隱不僅與消隱對象有關(guān)，還與觀察者的位置有關(guān)。 按消隱的對象分類 線消隱（Hidden-line） 面消隱（Hidden-surface） 按消隱空間分類 物體空間消隱算法 圖像空間消隱算法2、消隱基本原則：排序、連貫性。7.3多面體的消隱算法1、實(shí)現(xiàn)凸多面體消隱算法實(shí)現(xiàn)的一般步驟：（1）根據(jù)表面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，取頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，計算表面的外法線矢量。（2）計算外法線在投影方向上的分量的值。 （3）根據(jù)分量的值判斷表面的可見性。（4）若表面可見畫出該表面，否則處理下一個表面。2、深度緩沖器算法（Z緩沖器算法）（1）基本思想是： 將投影平面每個像素所對應(yīng)的所有面片（平面或曲面）的深度進(jìn)行比較，然后取離視線最近面片的屬性值作為該像素的屬性值（2）Z緩沖器算法的最大優(yōu)點(diǎn) ：可以輕而易舉地處理隱藏面以及顯示復(fù)雜曲面之間的交線。（3）主要缺點(diǎn) ：深度數(shù)組和屬性數(shù)組需要占用很大的內(nèi)存。 （4）算法步驟： 深度緩沖器所有單元均置為最小z值，幀緩沖器各單元均置為背景色，然后逐個處理多邊形表中的各面片。 每掃描一行，計算該行各像素點(diǎn)（x，y）所對應(yīng)的深度值z（x，y），并將結(jié)果與深度緩沖器中該像素單元所存儲的深度值ZB（x，y）進(jìn)行比較。 若zZB（x，y）,則ZB（x，y）= z，同時將該像素的屬性值I（x，y）寫入幀緩沖器，即FB（x，y）= I（x，y）；否則不變。3、 掃描線消隱算法 P146（1）基本思想：依順序處理每一條掃描線，處理當(dāng)前掃描線時，設(shè)計一個一維數(shù)組作為當(dāng)前掃描線的深度緩沖區(qū)(ZB)。首先找出掃描線與投影到屏幕上的所有多邊形的相交區(qū)間，對每個相交區(qū)間上的各像素利用連貫性計算其深度Z值，并與ZB中的值比較，以決定各區(qū)間點(diǎn)的像素顏色，并將其寫入幀緩沖區(qū)(FB)。(2) 特點(diǎn)1)掃描線消隱算法不僅用于多邊形的消隱，還可擴(kuò)展應(yīng)用到任意曲面體的消隱。2)在任意曲面體的消隱中，需要將多邊形表PT改為曲面表ST，活動邊表改為活動曲面表。3)掃描轉(zhuǎn)換時，當(dāng)進(jìn)入下一條掃描線，需刪除那些已脫離掃描線的多邊形結(jié)點(diǎn)，并增加一些新加入的多邊形結(jié)點(diǎn)。4、 畫家算法的基本思想 P150(1)先把屏幕置成背景色。(2)將畫面中的物體（面）按其距離觀察點(diǎn)的遠(yuǎn)近進(jìn)行排序，結(jié)果存放在一張線形表中。距觀察點(diǎn)遠(yuǎn)者稱其優(yōu)先級高，放在表頭，距觀察點(diǎn)近者稱其優(yōu)先級低，放在表尾，這張表稱為深度優(yōu)先級表。(3)按照從表頭到表尾（由遠(yuǎn)到近）的順序逐個繪制物體。 (判斷) 畫家算法：為了解決深度優(yōu)先級沖突問題。5、光線追蹤算法基本思想 觀察者能夠看見景物，是由于光源發(fā)出的光照射到物體上的結(jié)果，其中一部分到達(dá)人的眼睛引起視覺。到達(dá)觀察者眼中的光可由物體表面反射而來，也可通過表面折射或透射而來。 我們采用Appel提出的按相反途徑追蹤光線，即按從觀察者到景物的方向，從視點(diǎn)或像素出發(fā)，僅對穿過像素的光線反向跟蹤，當(dāng)光線路徑到達(dá)一個可見的不透明物體的表面時停止追蹤。 第8章 真實(shí)感圖形繪制8.1簡單光照明模型 P1561.光照明模型的定義在已知物體物理形態(tài)和光源性質(zhì)的條件下，能夠計算出場景的光照明效果的數(shù)學(xué)模型稱為光照明模型。 2.基本光學(xué)原理 光照到物體表面時，物體對光會發(fā)生反射(Reflection)、透射(Transmission)、吸收(Absorption)、衍射(Diffraction)、折射(Refraction)、和干涉(Interference)。 點(diǎn)光源是最簡單的光源，它的光線由光源向四周發(fā)散。這種光源模型是對場景中比物體小很多的光源合適的逼近。離場景足夠遠(yuǎn)的光源，如太陽，通常用點(diǎn)光源模型來模擬。 粗糙的物體表面往往將反射光向各個方向散射，這種光線散射的現(xiàn)象稱為漫反射 表面非常光滑的物體表面會產(chǎn)生強(qiáng)光反射，稱為鏡面反射入射光=環(huán)境光+漫反射光+鏡面反射光 環(huán)境光 環(huán)境光是指光源間接對物體的影響，在物體和環(huán)境之間多次反射，最終達(dá)到平衡時一種光。其中：Ia為環(huán)境光的光強(qiáng)，Ka為物體對環(huán)境光的反射系數(shù)，與環(huán)境的明暗度有關(guān)。 漫反射光 記入射光強(qiáng)為Ip，物體表面上點(diǎn)P 的法向?yàn)镹 ，從點(diǎn)P指向光源的向量為L，兩者間的夾角為，如圖8-1所示。由Lambert余弦定律，則漫反射光強(qiáng)為：P點(diǎn)處的單位法向量N和P到點(diǎn)光源的單位向量L之間的夾角 折射定律 入射光線、折射光線與光照點(diǎn)的法向量在同一平面上，如圖8-2，折射角與入射角滿足： Phong提出了一個計算鏡面反射光亮度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其計算公式為?角指什么? 將V和R都格式化為單位向量，則鏡面反射光強(qiáng)可表示為： Phong光照明模型 由物體表面上一點(diǎn)P反射到視點(diǎn)的光強(qiáng)I為環(huán)境光的反射光強(qiáng)Ie、理想漫反射光強(qiáng)Id、和鏡面反射光Is的總和，即 其中R，V，N為單位矢量；Ip為點(diǎn)光源發(fā)出的入射光強(qiáng)；Ia為環(huán)境光的漫反射光強(qiáng)；Ka環(huán)境光的漫反射系數(shù)；Kd漫反射系數(shù)（ ）取決于表面的材料；Ks鏡面反射系數(shù)（ ）；n冪次，用以模擬反射光的空間分布，表面越光滑，n越大。Phong光照明模型優(yōu)缺點(diǎn)：1.在實(shí)際的應(yīng)用中，還具有以下問題：物體象塑料，沒有質(zhì)感。2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)；3鏡面反射的計算在入射角很大時會產(chǎn)生失真等。8.2 多邊形繪制P1611恒定光強(qiáng)的多邊形繪制只用一種光強(qiáng)值繪制整個多邊形。2除此之外，在不同法向的多邊形鄰接處，不僅有光強(qiáng)突變，而且還會產(chǎn)生馬赫帶效應(yīng)。3解決辦法：a.增加多邊形的個數(shù)。b.采用插值的方法。增量式光照模型包含兩個主要的算法：雙線性光強(qiáng)插值和雙線性法向插值，又被分別稱為Gouraud明暗處理和Phong明暗處理。 Gouraud(雙線性光強(qiáng))明暗處理（簡答）Gouraud明暗處理的基本算法步驟如下：1.計算多邊形頂點(diǎn)的平均法向；2.用Phong光照明模型計算頂點(diǎn)的平均光強(qiáng)；3.插值計算離散邊上的各點(diǎn)光強(qiáng)；4.插值計算多邊形內(nèi)域中各點(diǎn)的光強(qiáng)。 光強(qiáng)插值 雙線性光強(qiáng)插值的公式如下： Gouraud明暗處理的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)是算法簡單，計算量小，解決了兩多邊形之間明暗度不連續(xù)以及多邊形片內(nèi)光強(qiáng)單一的問題。 Gouraud明暗處理的缺點(diǎn)1.明暗插值法只能保證在多邊形邊界兩側(cè)光強(qiáng)的連續(xù)性，不能保證其變化的連續(xù)性。2.將相鄰多邊形的法矢量的平均值作為頂點(diǎn)處的法矢量，法矢量是平行的，3. 只考慮了漫反射,高光域只能在定點(diǎn)周圍形成，不能再多邊形的域內(nèi)形成 雙線性法向插值（Phong明暗處理）1.保留雙線性插值，對多邊形邊上的點(diǎn)和內(nèi)域各點(diǎn)，采用增量法。2.對頂點(diǎn)的法向量進(jìn)行插值，而頂點(diǎn)的法向量，用相鄰的多邊形的法向作平均。 3.由插值得到的法向，計算每個象素的光亮度。4.假定光源與視點(diǎn)均在無窮遠(yuǎn)處，光強(qiáng)只是法向量的函數(shù)。 8.3透明與陰影P165 透明處理透明效果模擬最常見的方法是顏色調(diào)和法，不考慮透明體對光的折射以及透明物體本身的厚度，光通過物體表面是不會改變方向的，故可以模擬平面玻璃 所示，設(shè)過象素點(diǎn)(x，y)的視線與物體相交處的顏色(或光強(qiáng))為I a，視線穿過物體與另一物體相交處的顏色(或光強(qiáng))為I b, 則象素點(diǎn)(x，y)的顏色(或光強(qiáng))可由如下顏色調(diào)和公式計算 其中，I a和I b可由簡單光照明模型計算 陰影多邊形算法 首先用傳統(tǒng)的隱藏面消除技術(shù)，相對于光源，把物體上的多邊形區(qū)分為陰影多邊形、非陰影多邊形和逆光多邊形，這是區(qū)分多邊形階段； 然后就是顯示階段，需要計算物體表面各個多邊形的光強(qiáng)，對于非陰影多邊形和逆光多邊形，用某種方法來減少正常計算出來的光強(qiáng)值，使其有陰影的效果。若光源照射到的物體表面是不透明的，在該表面后面就會形成一個三維的多面體陰影區(qū)域，該區(qū)域被稱為陰影域8.4（判斷）紋理與紋理映射P167 紋理類型 顏色紋理：是指光滑表面的花紋、圖案，如刨光的木材表面的木紋，建筑物墻壁上的裝飾圖案，大理石表面等。它們是通過顏色色彩或明暗度變化體現(xiàn)出來的表面細(xì)節(jié)。紋理映射：是把指定的紋理映射到三維物體表面的技術(shù)。 兩種方法來定義紋理： 圖像紋理：將二維紋理圖案映射到三維物體表面， 繪制物體表面上一點(diǎn)時，采用相應(yīng)的紋理圖案中相應(yīng)點(diǎn)的顏色值。 函數(shù)紋理：用數(shù)學(xué)函數(shù)定義簡單的二維紋理圖案，如方格地毯?；蛴脭?shù)學(xué)函數(shù)定義隨機(jī)高度場，生成表面粗糙紋理即幾何紋理。 常見紋理映射技術(shù) 1顏色紋理映射技術(shù)：二維紋理映射、圖案映射、三維紋理域的映射 2幾何紋理映射技術(shù)，也稱凹凸映射。8.5整體光照模型和光線跟蹤P173 為了精確模擬光照效果，應(yīng)考慮四種情況： 1鏡面反射到鏡面反射2鏡面反射到漫反射3漫反射到鏡面反射4漫反射到漫反射 對于透射，也可分為漫透射與規(guī)則透射(鏡面透射)?？紤]整個環(huán)境的總體光照效果和各種景物之間的幻想映照或透射的情形，稱之為整體光照模型。除了光照追蹤算法外，其他所有消隱算法都無法采用整體光照模型。在簡單光照明模型的基上，加上透射光一項(xiàng)，就得到Whitted光透射模型：其中It為折射方向的入射光強(qiáng)度；Kt為透射系數(shù)，為01之間的一個常數(shù)；其大小取決于物體的材料。如果該透明體又是一個鏡面反射體，應(yīng)再加上反射光一項(xiàng)，以模擬鏡面反射效果。于是得到Whitted整體光照模型： 這里，Is為鏡面反射方向的入射光強(qiáng)度；Ks為鏡面反射系數(shù)，為01之間的一個常數(shù)；其大小同樣取決于物體的材料。 如圖4.4.2所示，S是視線V的鏡面反射方向，T是V的折射方向。在簡單光照明模型的情況下，折射光強(qiáng)和鏡面反射光強(qiáng)可以認(rèn)為是折射方向上和反射方向上的環(huán)境光的光強(qiáng)。光線跟蹤的基本原理最基本的光線跟蹤算法是跟蹤鏡面反射和折射。從光源發(fā)出的光遇到物體的表面，發(fā)生反射和折射，光就改變方向，沿著反射方向和折射方向繼續(xù)前進(jìn)，直到遇到新的物體。實(shí)際光線跟蹤算法的跟蹤方向與光傳播的方向是相反的，而是視線跟蹤。8.6實(shí)時真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)P182實(shí)時真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)是在當(dāng)前圖形算法和硬件條件的限制下提出的在一定的時間內(nèi)完成真實(shí)感圖形圖象繪制的技術(shù)。8.7OpenGL光照P1871. 顏色模型RGB(RGBA)模式和顏色表模式2. 光源void glLightifv（GLenum light, /光源號GLenum pname,/光源特性TYPE param）/設(shè)置光源特性值創(chuàng)建具有某種特性的光源。其中第一個參數(shù)light指定所創(chuàng)建的光源號，如GL_LIGHT0、GL_LIGHT1、.、GL_LIGHT7。第二個參數(shù)pname指定光源特性，這個參數(shù)的輔助信息見表10-1所示。最后一個參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的光源特性值。pname 參數(shù)名缺省值說明GL_AMBIENT(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)RGBA模式下環(huán)境光GL_DIFFUSE(1.0, 1.0, 1.0, 1.0)RGBA模式下漫反射光GL_SPECULAR(1.0,1.0,1.0,1.0)RGBA模式下鏡面光GL_POSITION(0.0,0.0,1.0,0.0)光源位置齊次坐標(biāo)（x,y,z,w）GL_SPOT_DIRECTION(0.0,0.0,-1.0)點(diǎn)光源聚光方向矢量（x,y,z）GL_SPOT_EXPONENT0.0點(diǎn)光源聚光指數(shù)GL_SPOT_CUTOFF180.0點(diǎn)光源聚光截止角GL_CONSTANT_ATTENUATION1.0常數(shù)衰減因子GL_LINER_ATTENUATION0.0線性衰減因子GL_QUADRATIC_ATTENUATION0.0平方衰減因子表10-1 函數(shù)glLight*()參數(shù)pna