真實(shí)感圖形生成(1)

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)高級(jí)話題計(jì)算機(jī)圖形學(xué)高級(jí)話題- 真實(shí)感圖形生成 講授主要內(nèi)容：講授主要內(nèi)容： o 引言引言 o 消隱消隱 o 真實(shí)感圖形的繪制真實(shí)感圖形的繪制 o 實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù) o 總結(jié)總結(jié) 引言引言 對(duì)于場(chǎng)景中的物體、要得到它的真實(shí)對(duì)于場(chǎng)景中的物體、要得到它的真實(shí) 感圖形，就要對(duì)它進(jìn)行透視投影，并消除感圖形，就要對(duì)它進(jìn)行透視投影，并消除 隱藏面，然后計(jì)算可見(jiàn)面的光照明暗效果，隱藏面，然后計(jì)算可見(jiàn)面的光照明暗效果， 最后在計(jì)算機(jī)中繪制出讓觀察者有身臨其最后在計(jì)算機(jī)中繪制出讓觀察者有身臨其 境感覺(jué)的圖形境感覺(jué)的圖形. . 消隱消隱 o 消隱的概念消隱的概念 o 消隱算法分

2、類(lèi)消隱算法分類(lèi) o 消隱算法消隱算法 n 深度緩存器算法深度緩存器算法 n 區(qū)間掃描線算法區(qū)間掃描線算法 n 深度排序算法深度排序算法 n 區(qū)域細(xì)分算法區(qū)域細(xì)分算法 n 光線投射算法光線投射算法 n BSP樹(shù)算法樹(shù)算法 n 多邊形區(qū)域排序算法多邊形區(qū)域排序算法 消隱的概念消隱的概念 o 用計(jì)算機(jī)生成三維物體的真實(shí)圖形，在用顯示用計(jì)算機(jī)生成三維物體的真實(shí)圖形，在用顯示 設(shè)備描述物體的圖形時(shí)，必須把三維信息經(jīng)過(guò)設(shè)備描述物體的圖形時(shí)，必須把三維信息經(jīng)過(guò) 某種投影變換，在二維的顯示表面上繪制出來(lái)。某種投影變換，在二維的顯示表面上繪制出來(lái)。 由于投影變換失去了由于投影變換失去了深度深度信息，往往導(dǎo)致圖形

3、信息，往往導(dǎo)致圖形 的二義性。的二義性。 o 要消除二義性，就必須在繪制時(shí)消除被遮擋的要消除二義性，就必須在繪制時(shí)消除被遮擋的 不可見(jiàn)的線或面，習(xí)慣上稱(chēng)作消除隱藏線和隱不可見(jiàn)的線或面，習(xí)慣上稱(chēng)作消除隱藏線和隱 藏面，或簡(jiǎn)稱(chēng)為藏面，或簡(jiǎn)稱(chēng)為消隱消隱。 o 消隱實(shí)例消隱實(shí)例 消隱實(shí)例消隱實(shí)例 物體的線框圖物體的線框圖 經(jīng)消隱處理后的圖形經(jīng)消隱處理后的圖形 消隱算法分類(lèi)消隱算法分類(lèi) o 按其實(shí)現(xiàn)方式分為：按其實(shí)現(xiàn)方式分為： n圖像空間消隱算法圖像空間消隱算法 圖像空間圖像空間( (屏幕坐標(biāo)系屏幕坐標(biāo)系) )消隱算法以屏幕像素為采樣消隱算法以屏幕像素為采樣 單位單位，確定投影于每一個(gè)像素的可見(jiàn)景物表面

4、區(qū)域，確定投影于每一個(gè)像素的可見(jiàn)景物表面區(qū)域， 并將其顏色作為該像素的顯示顏色。如深度緩沖器算并將其顏色作為該像素的顯示顏色。如深度緩沖器算 法、法、A A緩沖器算法、區(qū)間掃描線算法等。緩沖器算法、區(qū)間掃描線算法等。 n景物空間消隱算法景物空間消隱算法 直接在景物直接在景物( (觀察坐標(biāo)系觀察坐標(biāo)系) )中確定視點(diǎn)不可見(jiàn)的中確定視點(diǎn)不可見(jiàn)的表面表面 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 BSPBSP算法、多邊形區(qū)域排序算法等。算法、多邊形區(qū)域排序算法等。 n介于二者之間的算法，如深度排序算法、區(qū)域細(xì)分介于二者之間的算法，如深度排序算法、區(qū)

5、域細(xì)分 算法、光線投射算法等。算法、光線投射算法等。 n 排序：各景物表面按照距離視點(diǎn)遠(yuǎn)近排序，排排序：各景物表面按照距離視點(diǎn)遠(yuǎn)近排序，排 序結(jié)果用于確定消隱對(duì)象之間的遮擋關(guān)系。序結(jié)果用于確定消隱對(duì)象之間的遮擋關(guān)系。 n 連貫性：連貫性是指所考察的物體或視區(qū)內(nèi)的連貫性：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)，用于提高排序圖像局部保持不變的一種性質(zhì)，用于提高排序 效率。效率。 基本的原則基本的原則 9.1 深度緩存器算法（ Z-buffer） o 基本原理 n 幀緩存：保存各像素點(diǎn)的顏色。 n Z緩存：保存屏幕坐標(biāo)系上各像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深 度值。 深度緩存器算法（ Z-buf

6、fer） 圖圖9.1 深度緩存器算法的原理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） o 算法步驟 n 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。 n 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(shí)，對(duì)于多邊形內(nèi)的每一采樣點(diǎn)(x,y) 進(jìn)行處理： l 計(jì)算采樣點(diǎn)(x,y)的深度z(x,y)； l 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。 o 如何計(jì)算采樣點(diǎn)(x,y)的深度z(x,y)。 n

7、假定多邊形的平面方程為：Ax+By+Cz+D=0。 C DByAx yxz ),( 深度緩存器算法（ Z-buffer） 圖圖9.2 利用掃描線的連貫性加快深度的計(jì)算利用掃描線的連貫性加快深度的計(jì)算 深度緩存器算法（ Z-buffer） n 掃描線上所有后繼點(diǎn)的深度值： n 當(dāng)處理下一條掃描線y=y-1時(shí)，該掃描線上與多 邊形相交的最左邊（x最小）交點(diǎn)的x值可以利 用上一條掃描線上的最左邊的x值計(jì)算： ),( ) 1( ), 1( C A yxz C DByxA yxz 1 min,min, 1 k xx yy 深度緩存器算法（ Z-buffer） n 掃描線深度緩存器算法：增加多邊形表 ),

8、( ) 1() 1 ( ) 1( ) 1,( min, min, min, 1 min, 1 C B k A yxz C DyB k xA C DyBAx yxz y y y y 深度緩存器算法（ Z-buffer） o 優(yōu)點(diǎn) n 簡(jiǎn)單 n 便于硬件實(shí)現(xiàn) o 缺點(diǎn) n 占用太多的存儲(chǔ)單元 n 在實(shí)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） o 避免對(duì)被遮擋區(qū)域的采樣是進(jìn)一步提高掃描 線算法計(jì)算效率的關(guān)鍵。 圖圖9.3 區(qū)間掃描線算法原理區(qū)間掃描線算法原理 9.2 區(qū)間掃描線算法 o 算法 n 三張表：邊表、多邊形表、有效邊表。 n 分割子區(qū)間，確定子區(qū)間上的

9、唯一可見(jiàn)面。 圖圖9.4 掃描線子區(qū)間掃描線子區(qū)間 區(qū)間掃描線算法 o 特殊情形特殊情形 n 貫穿情形：為了使算法能處理貫穿情形：為了使算法能處理互相貫穿的多邊形互相貫穿的多邊形， 掃描線上的分割點(diǎn)不僅應(yīng)包含各多邊形的邊與掃描線掃描線上的分割點(diǎn)不僅應(yīng)包含各多邊形的邊與掃描線 的交點(diǎn)，而且應(yīng)包含這些的交點(diǎn)，而且應(yīng)包含這些貫穿邊界貫穿邊界與掃描線的交點(diǎn)。與掃描線的交點(diǎn)。 n 循環(huán)遮擋：將多邊形進(jìn)行劃分以消除循環(huán)遮擋。循環(huán)遮擋：將多邊形進(jìn)行劃分以消除循環(huán)遮擋。 區(qū)間掃描線算法 圖圖9.5 多邊形貫穿和循環(huán)遮擋的情形多邊形貫穿和循環(huán)遮擋的情形 o 算法原理：算法約定距視點(diǎn)近的優(yōu)先級(jí)高，算法原理：算法約

10、定距視點(diǎn)近的優(yōu)先級(jí)高， 距視點(diǎn)遠(yuǎn)的優(yōu)先級(jí)低。生成圖像時(shí)，優(yōu)先級(jí)距視點(diǎn)遠(yuǎn)的優(yōu)先級(jí)低。生成圖像時(shí)，優(yōu)先級(jí) 低的多邊形先畫(huà)，優(yōu)先級(jí)高的多邊形后畫(huà)。低的多邊形先畫(huà)，優(yōu)先級(jí)高的多邊形后畫(huà)。 這樣，后畫(huà)的多邊形就會(huì)將先畫(huà)的多邊形遮這樣，后畫(huà)的多邊形就會(huì)將先畫(huà)的多邊形遮 擋住，從而達(dá)到消隱的效果。擋住，從而達(dá)到消隱的效果。 o 算法的關(guān)鍵是多邊形排序。算法的關(guān)鍵是多邊形排序。 9.3 深度排序算法（畫(huà)家算法） o 算法原理：考察投影平面上的一塊區(qū)域，如算法原理：考察投影平面上的一塊區(qū)域，如 果可以很果可以很“容易容易”地判斷覆蓋該區(qū)域中的哪地判斷覆蓋該區(qū)域中的哪 個(gè)或哪些多邊形是可見(jiàn)的，則可按這些多邊個(gè)或哪

11、些多邊形是可見(jiàn)的，則可按這些多邊 形的光照屬性和幾何位置計(jì)算確定子區(qū)域內(nèi)形的光照屬性和幾何位置計(jì)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(gè)較小的區(qū)域中去。地應(yīng)用到每個(gè)較小的區(qū)域中去。 9.4 區(qū)域細(xì)分算法 o 多邊形的分類(lèi) 圖圖9.6 多邊形的投影與考察區(qū)域之間的關(guān)系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 o 可見(jiàn)性測(cè)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(diǎn)置為背景顏色。 2、針對(duì)該區(qū)域，僅存在一個(gè)相交多邊形，

12、或僅存在一 個(gè)被包含多邊形，或僅存在一個(gè)圍繞多邊形。則可先 將該區(qū)域中的所有像素點(diǎn)置為背景顏色，再將相應(yīng)多 邊形的顏色值填入對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的幀緩存中。 3、針對(duì)該區(qū)域，有多于一個(gè)的相交多邊形、被包含多 邊形或圍繞多邊形，則計(jì)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(gè)頂點(diǎn)處的z坐標(biāo)，如果 存在一個(gè)圍繞多邊形，它的4個(gè)z坐標(biāo)比其它任何多邊 性的z坐標(biāo)都大（最靠近視點(diǎn)），那么，可將該區(qū)域中 的所有像素點(diǎn)置為該多邊形的顏色值。 9.4 區(qū)域細(xì)分算法 圖圖9.7 滿足測(cè)試條件滿足測(cè)試條件3的兩個(gè)例子的兩個(gè)例子 9.4 區(qū)域細(xì)分算法 o 算法原理 圖圖9.8 光線投射算法光線投射算法 9.5 光線

13、投射算法 o 算法步驟 n 通過(guò)視點(diǎn)和投影平面（顯示屏幕）上的所有像素 點(diǎn)作一入射線，形成投影線。 n 將任一投影線與場(chǎng)景中的所有多邊形求交。 n 若有交點(diǎn)，則將所有交點(diǎn)按z值的大小進(jìn)行排序， 取出最近交點(diǎn)所屬多邊形的顏色；若沒(méi)有交點(diǎn)， 則取出背景的顏色。 n 將該射線穿過(guò)的像素點(diǎn)置為取出的顏色。 光線投射算法 o BSP（Binary Space Partition） o 算法原理 圖圖9.9 BSP樹(shù)算法原理樹(shù)算法原理 9.6 BSP樹(shù)算法 o 算法原理 將多邊形按深度值由小到大排序，用 前面的可見(jiàn)多邊形去切割位于其后的多邊 形，使得最終每一個(gè)多邊形要么是完全可 見(jiàn)的，要么是完全不可見(jiàn)的。

14、 9.7 多邊形區(qū)域排序算法 真實(shí)感圖形的繪制真實(shí)感圖形的繪制 o 消隱能反映景物間的相互遮擋關(guān)系，能夠增消隱能反映景物間的相互遮擋關(guān)系，能夠增 強(qiáng)圖形的深度感和層次感強(qiáng)圖形的深度感和層次感. . o 如何利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行真實(shí)感圖形的繪制呢如何利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行真實(shí)感圖形的繪制呢? ? 真實(shí)感圖形的繪制步驟真實(shí)感圖形的繪制步驟 o場(chǎng)景造型場(chǎng)景造型 采用數(shù)學(xué)方法建立三維場(chǎng)景的幾何描述并輸入到計(jì)算機(jī)。采用數(shù)學(xué)方法建立三維場(chǎng)景的幾何描述并輸入到計(jì)算機(jī)。 o取景變換、透視投影取景變換、透視投影 將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維透視圖的內(nèi)容。將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維透視圖的內(nèi)容。 o視域裁剪、消除隱藏面視域裁剪、消除

15、隱藏面 確定景物中的所以可見(jiàn)面，將視域之外或其它景物遮擋的確定景物中的所以可見(jiàn)面，將視域之外或其它景物遮擋的 不可見(jiàn)面消除。不可見(jiàn)面消除。 o繪制真實(shí)感圖形繪制真實(shí)感圖形 根據(jù)一定的根據(jù)一定的光照模型光照模型和和光強(qiáng)度光強(qiáng)度計(jì)算，將其轉(zhuǎn)換為適合圖形計(jì)算，將其轉(zhuǎn)換為適合圖形 設(shè)備的設(shè)備的顏色顏色值，生成投影畫(huà)面上每個(gè)像素的光強(qiáng)度，讓觀值，生成投影畫(huà)面上每個(gè)像素的光強(qiáng)度，讓觀 察者產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。察者產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。 基本概念基本概念 p 光照模型（Illumination model），也稱(chēng)明暗模型， 主要用于物體表面某點(diǎn)處的光強(qiáng)度計(jì)算。 n 簡(jiǎn)單的光照模型 n 復(fù)雜的光照模型 p 光強(qiáng)

16、（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(lèi)光照模型的分類(lèi) l簡(jiǎn)單的光照模型：簡(jiǎn)單的光照模型：僅考慮光源照射在物體表面產(chǎn)生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(guò)渡，成的圖形可以模擬出不透明物體表面的明暗過(guò)渡， 具有一定的真實(shí)感。具有一定的真實(shí)感。 l復(fù)雜的光照模型：復(fù)雜的光照模型：除了考慮反射光外，還要考慮周除了考慮反射光外，還要考慮周 圍環(huán)境的光對(duì)物體表面影響、透明度、光源的位置圍環(huán)境的光對(duì)物體表面影響、透明

17、度、光源的位置 和個(gè)數(shù)等，這種光照模型被稱(chēng)為整體光照模型，它和個(gè)數(shù)等，這種光照模型被稱(chēng)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。接近自然景物的圖形。 簡(jiǎn)單的光照模型與復(fù)雜光照模型的比較簡(jiǎn)單的光照模型與復(fù)雜光照模型的比較 簡(jiǎn)單光照模型繪制效果 復(fù)雜光照模型繪制效果 簡(jiǎn)單光照模型中只考慮反射光的作用。簡(jiǎn)單光照模型中只考慮反射光的作用。 反射光由反射光由環(huán)境光環(huán)境光、漫反射光漫反射光和和鏡面反射光鏡面反射光三部三部 分組成。分組成。 簡(jiǎn)單的光照模型簡(jiǎn)單的光照模型 p 特點(diǎn)：照射在物體上的光來(lái)自周?chē)鱾€(gè)方向，特點(diǎn)：

18、照射在物體上的光來(lái)自周?chē)鱾€(gè)方向， 又均勻地向各個(gè)方向反射。又均勻地向各個(gè)方向反射。 p P點(diǎn)對(duì)環(huán)境光的反射強(qiáng)度為點(diǎn)對(duì)環(huán)境光的反射強(qiáng)度為 aae KII 圖圖1 環(huán)境光的反射環(huán)境光的反射 環(huán)境光（環(huán)境光（Background Light） p 一個(gè)粗糙的、無(wú)光澤的表面呈現(xiàn)為漫反射。一個(gè)粗糙的、無(wú)光澤的表面呈現(xiàn)為漫反射。 p 特點(diǎn)：光源來(lái)自一個(gè)方向，反射光均勻地射向特點(diǎn)：光源來(lái)自一個(gè)方向，反射光均勻地射向 各個(gè)方向。各個(gè)方向。 p 由由Lambert余弦定理可得點(diǎn)余弦定理可得點(diǎn)P處漫反射光的強(qiáng)度處漫反射光的強(qiáng)度 為：為： p 若若L和和N都已規(guī)格化為單位都已規(guī)格化為單位 矢量，則有矢量，則有 圖

19、圖2 漫反射漫反射 2 , 0,cos dpd KII 漫反射光（漫反射光（Diffuse Reflection） )(NLKII dpd p 對(duì)于彩色對(duì)于彩色),( pBpGpRp IIII )( )( )( NLKII NLKII NLKII dBpBdB dGpGdG dRpRdR p 對(duì)于多個(gè)漫反射光源對(duì)于多個(gè)漫反射光源 n i idipd NLKII 1 , )( 漫反射光（漫反射光（Diffuse Reflection） p 鏡面反射遵循反射定律，入射光和反射光分別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)。位于表面法向的兩側(cè)。 p 如果觀察者正好處在如果觀察者正

20、好處在P點(diǎn)的鏡面反射方向上，點(diǎn)的鏡面反射方向上， 就會(huì)看到一個(gè)比周?chē)蜁?huì)看到一個(gè)比周?chē)?亮得多的高光點(diǎn)亮得多的高光點(diǎn)。 圖圖3 鏡面反射鏡面反射 鏡面反射光鏡面反射光 p 鏡面反射情況由鏡面反射情況由Phong模型給出：模型給出： 圖圖3 鏡面反射鏡面反射 cos n sps KII p 若若R和和V已規(guī)格化為單已規(guī)格化為單 位矢量，則：位矢量，則： n sps VRKII)( 鏡面反射光鏡面反射光 p 從視點(diǎn)觀察到物體上任一點(diǎn)從視點(diǎn)觀察到物體上任一點(diǎn)P處的光強(qiáng)度處的光強(qiáng)度I應(yīng)為應(yīng)為 環(huán)境光反射光強(qiáng)度環(huán)境光反射光強(qiáng)度Ie、漫反射光強(qiáng)度漫反射光強(qiáng)度Id以及鏡面以及鏡面 反射光的光強(qiáng)度反射光的光強(qiáng)

21、度Is的總和：的總和： p 多個(gè)點(diǎn)光源多個(gè)點(diǎn)光源 n spdpaa sde VRKINLKIKI IIII )()( 物體表面光強(qiáng)計(jì)算物體表面光強(qiáng)計(jì)算 , 11 ()() eds nn n aap idip isi ii IIII I KIKL NIK HN p 光在傳播的過(guò)程中，其能量會(huì)發(fā)生衰減。光照光在傳播的過(guò)程中，其能量會(huì)發(fā)生衰減。光照 模型中必須考慮光強(qiáng)衰減，否則會(huì)影響生成圖模型中必須考慮光強(qiáng)衰減，否則會(huì)影響生成圖 形的真實(shí)效果。形的真實(shí)效果。 p 光強(qiáng)的衰減可以采用常數(shù)衰減、一次函數(shù)衰減光強(qiáng)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。和二次函數(shù)衰減等。 p 常用的二次衰減

22、函數(shù)常用的二次衰減函數(shù) 光強(qiáng)衰減光強(qiáng)衰減 ) 1 , 1min()( 2 210 dcdcc df n i n isipi n i idipiaa sde NHKIdfNLKIdfKI IIII 1 , 1 , )()()()( p 選擇顏色模型選擇顏色模型（color model） n 面向硬件的顏色模型：面向硬件的顏色模型：RGB、CMY n 面向視覺(jué)感知的顏色模型：面向視覺(jué)感知的顏色模型：HSI p 為顏色分量指定光照模型為顏色分量指定光照模型 顏色顏色 p 以以RGB顏色模型為例顏色模型為例 n 環(huán)境光強(qiáng)度：環(huán)境光強(qiáng)度： n 入射光強(qiáng)度：入射光強(qiáng)度： n 環(huán)境光反射系數(shù)：環(huán)境光反射系數(shù)

23、： n 漫反射系數(shù)：漫反射系數(shù)： n 鏡面反射系數(shù)：鏡面反射系數(shù)： ),( aBaGaRa IIII ),( pBpGpRp IIII ),( aBaGaRa KKKK ),( dBdGdRd KKKK ),( sBsGsRs KKKK 顏色顏色 p 光強(qiáng)計(jì)算公式：光強(qiáng)計(jì)算公式： n i n isBipBi n i idBipBiaBaBB n i n isGipGi n i idGipGiaGaGG n i n isRipRi n i idRipRiaRaRR NHKIdfNLKIdfKII NHKIdfNLKIdfKII NHKIdfNLKIdfKII 1 , 1 , 1 , 1 , 1

24、, 1 , )()()()( )()()()( )()()()( 顏色顏色 p 恒定光強(qiáng)恒定光強(qiáng) p Gouraud明暗處理明暗處理 p Phong明暗處理明暗處理 10.2 基于簡(jiǎn)單光照模型的多邊形繪制 p 只用一種顏色繪制整個(gè)多邊形的只用一種顏色繪制整個(gè)多邊形的前提條件前提條件 n 光源在無(wú)窮遠(yuǎn)處，則多邊形上所有點(diǎn)的光源在無(wú)窮遠(yuǎn)處，則多邊形上所有點(diǎn)的LN 為常數(shù)，衰減函數(shù)也是一個(gè)常數(shù)。為常數(shù)，衰減函數(shù)也是一個(gè)常數(shù)。 n 視點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處，則多邊形上所有點(diǎn)的視點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處，則多邊形上所有點(diǎn)的VR 為常數(shù)。為常數(shù)。 n 多邊形是景物表面的精確表示，即不是一個(gè)多邊形是景物表面的精確表示，即不是一個(gè)

25、 含曲線面景物的近似表示。含曲線面景物的近似表示。 p 缺點(diǎn)：相鄰多邊形法矢量不同，造成不連續(xù)。缺點(diǎn)：相鄰多邊形法矢量不同，造成不連續(xù)。 恒定光強(qiáng) p Gouraud明暗處理方法，又稱(chēng)為亮度插值明暗明暗處理方法，又稱(chēng)為亮度插值明暗 處理，它通過(guò)對(duì)多邊形頂點(diǎn)顏色進(jìn)行線性插值來(lái)處理，它通過(guò)對(duì)多邊形頂點(diǎn)顏色進(jìn)行線性插值來(lái) 繪制其內(nèi)部各點(diǎn)，其步驟為：繪制其內(nèi)部各點(diǎn)，其步驟為： n 計(jì)算每個(gè)多邊形頂點(diǎn)處的平均單位法矢量；計(jì)算每個(gè)多邊形頂點(diǎn)處的平均單位法矢量； n 對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)根據(jù)簡(jiǎn)單光照模型來(lái)計(jì)算其光強(qiáng)；對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)根據(jù)簡(jiǎn)單光照模型來(lái)計(jì)算其光強(qiáng)； n 在多邊形表面上將頂點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行線性插值。在多邊形表面上將頂

26、點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行線性插值。 Gouraud明暗處理 p 雙線性插值方法雙線性插值方法 圖圖4 Gouraud 明暗處理的雙線性插值明暗處理的雙線性插值 Gouraud明暗處理 SCBS SBC BCBC yyyy III yyyy Gourand方法光滑處理示例方法光滑處理示例 線框圖 恒定光強(qiáng)繪制圖 Gourand方法光滑處理后圖形 p Phong明暗處理方法，又稱(chēng)為法矢量插值明暗明暗處理方法，又稱(chēng)為法矢量插值明暗 處理，它對(duì)多邊形頂點(diǎn)的法矢量進(jìn)行插值以產(chǎn)生處理，它對(duì)多邊形頂點(diǎn)的法矢量進(jìn)行插值以產(chǎn)生 中間各點(diǎn)的法矢量，其步驟為：中間各點(diǎn)的法矢量，其步驟為： n 計(jì)算每個(gè)多邊形頂點(diǎn)處的平均單位法矢量

27、；計(jì)算每個(gè)多邊形頂點(diǎn)處的平均單位法矢量； n 用雙線性插值方法求得多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的法用雙線性插值方法求得多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的法 矢量。矢量。 n 最后按光照模型確定多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的光強(qiáng)。最后按光照模型確定多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的光強(qiáng)。 Phong明暗處理 p 矢量雙線性插值方法矢量雙線性插值方法 圖圖5 Phong明暗處理的矢量雙線性插值明暗處理的矢量雙線性插值 Phong明暗處理 SCBS SBC BCBC yyyy NNN yyyy Phong方法光滑處理示例方法光滑處理示例 線框圖 恒定光強(qiáng)繪制圖 Phong方法光滑處理后圖形 明暗處理示例明暗處理示例 o 牛的三角網(wǎng)格模型牛的三角網(wǎng)格模型 n 用簡(jiǎn)

28、單光照明模型顯示用簡(jiǎn)單光照明模型顯示 n 明暗處理后模型顯示明暗處理后模型顯示 10.3 透明處理 圖圖6 透明表面的光強(qiáng)包括反射光和折射光透明表面的光強(qiáng)包括反射光和折射光 圖圖7 簡(jiǎn)單的透明處理（無(wú)折射）簡(jiǎn)單的透明處理（無(wú)折射） 透明處理 (1) PtAtB Ik Ik I 圖圖8 光的折射光的折射 LNT r i ri r i )cossin( 透明處理 10.4 產(chǎn)生陰影 p 陰影是由于物體截?cái)嗔斯饩€而產(chǎn)生的，所以如果陰影是由于物體截?cái)嗔斯饩€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)。一側(cè)，也就是

29、與光源相反的一側(cè)。 p 從理論上來(lái)說(shuō)，從視點(diǎn)以及從光源看過(guò)去都是可從理論上來(lái)說(shuō)，從視點(diǎn)以及從光源看過(guò)去都是可 見(jiàn)的面不會(huì)落在陰影中，只有那些從視點(diǎn)看過(guò)去見(jiàn)的面不會(huì)落在陰影中，只有那些從視點(diǎn)看過(guò)去 是可見(jiàn)的，而從光源看過(guò)去是不可見(jiàn)的面，肯定是可見(jiàn)的，而從光源看過(guò)去是不可見(jiàn)的面，肯定 落在陰影之內(nèi)。落在陰影之內(nèi)。 產(chǎn)生陰影 p 產(chǎn)生具有陰影的圖形繪制算法產(chǎn)生具有陰影的圖形繪制算法 n 將視點(diǎn)移到光源位置，用多邊形區(qū)域排序消將視點(diǎn)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(lèi)：向光多邊形隱算法，將多邊形分成兩大類(lèi)：向光多邊形 和背光多邊形。和背光多邊形。 n 將視點(diǎn)移到原來(lái)的觀察位置，

30、對(duì)向光多邊形將視點(diǎn)移到原來(lái)的觀察位置，對(duì)向光多邊形 和背光多邊形進(jìn)行消隱，并選用一種光照模和背光多邊形進(jìn)行消隱，并選用一種光照模 型計(jì)算多邊形的亮度，就可得到有陰影效果型計(jì)算多邊形的亮度，就可得到有陰影效果 的圖形。的圖形。 10.5 模擬景物表面細(xì)節(jié) p 顏色紋理：通過(guò)顏色色彩或明暗度的變化體現(xiàn)出顏色紋理：通過(guò)顏色色彩或明暗度的變化體現(xiàn)出 來(lái)的表面細(xì)節(jié)。來(lái)的表面細(xì)節(jié)。 p 幾何紋理：由于不規(guī)則的細(xì)小凹凸造成的。幾何紋理：由于不規(guī)則的細(xì)小凹凸造成的。 p 顏色紋理取決于物體表面的光學(xué)屬性，而幾何紋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。理由物體表面的微觀幾何

31、形狀決定。 p 用多邊形模擬表面細(xì)節(jié)用多邊形模擬表面細(xì)節(jié) p 紋理的定義和映射紋理的定義和映射 p 凹凸映射凹凸映射 10.5 模擬景物表面細(xì)節(jié) p 簡(jiǎn)單地模擬景物表面細(xì)節(jié)的方法是用多邊形，簡(jiǎn)單地模擬景物表面細(xì)節(jié)的方法是用多邊形， 稱(chēng)為表面圖案多邊形，來(lái)模擬紋理的結(jié)構(gòu)和模稱(chēng)為表面圖案多邊形，來(lái)模擬紋理的結(jié)構(gòu)和模 式。式。 p 處理時(shí)，首先根據(jù)待生成的顏色紋理構(gòu)造表面處理時(shí)，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圖案多邊形，然后將表面圖案多邊形覆蓋到物 體的表面上。體的表面上。 多邊形模擬表面細(xì)節(jié) p 生成顏色紋理的一般方法，是預(yù)先定義紋理模生成顏色紋理的一般

32、方法，是預(yù)先定義紋理模 式，然后建立物體表面的點(diǎn)與紋理模式的點(diǎn)之式，然后建立物體表面的點(diǎn)與紋理模式的點(diǎn)之 間的對(duì)應(yīng)。當(dāng)物體表面的可見(jiàn)點(diǎn)確定之后，以間的對(duì)應(yīng)。當(dāng)物體表面的可見(jiàn)點(diǎn)確定之后，以 紋理模式的對(duì)應(yīng)點(diǎn)參與光照模型進(jìn)行計(jì)算，就紋理模式的對(duì)應(yīng)點(diǎn)參與光照模型進(jìn)行計(jì)算，就 可把紋理模式附到物體表面上。這種方法稱(chēng)為可把紋理模式附到物體表面上。這種方法稱(chēng)為 紋理映射（紋理映射（Texture Mapping）。）。 紋理映射和定義 圖圖9 紋理映射中紋理空間、物體空間和像素空間的變換紋理映射中紋理空間、物體空間和像素空間的變換 紋理映射和定義 圖圖10 由像素空間向紋理空間的映射由像素空間向紋理空間的

33、映射 紋理映射和定義 上圖是紋理映射場(chǎng)景的一個(gè)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 經(jīng)紋理映射,光照處理后計(jì)算機(jī)生成圖形 凹凸映射 p 1978年，年，Blinn提出了一種無(wú)需修改表面幾何提出了一種無(wú)需修改表面幾何 模型，即能模擬表面凹凸不平效果的有效方模型，即能模擬表面凹凸不平效果的有效方 法法凹凸映射技術(shù)（凹凸映射技術(shù)（Bump Mapping）。）。 10.6 整體光照模型與光線跟蹤 p 整體光照模型整體光照模型 p Whitted光照模型光照模型 p 光線跟蹤算法光線跟蹤算法 整體光照模型 p 一個(gè)完整的光照明模型應(yīng)該包括由光源和環(huán)境引一個(gè)完整的光照明模型應(yīng)該包括

34、由光源和環(huán)境引 起的漫反射分量、鏡面反射分量、規(guī)則透射分量起的漫反射分量、鏡面反射分量、規(guī)則透射分量 以及漫透射分量等。以及漫透射分量等。 n 僅考慮由光源引起的漫反射分量和鏡面反射僅考慮由光源引起的漫反射分量和鏡面反射 分量，而環(huán)境反射分量則簡(jiǎn)單地用一常數(shù)來(lái)分量，而環(huán)境反射分量則簡(jiǎn)單地用一常數(shù)來(lái) 代替，這類(lèi)光照模型稱(chēng)為局部光照模型。代替，這類(lèi)光照模型稱(chēng)為局部光照模型。 n 能同時(shí)模擬光源和環(huán)境照明效果的光照模型能同時(shí)模擬光源和環(huán)境照明效果的光照模型 稱(chēng)為整體光照模型。稱(chēng)為整體光照模型。 Whitted光照模型 p Whitted在簡(jiǎn)單光照模型中增加了環(huán)境鏡面反在簡(jiǎn)單光照模型中增加了環(huán)境鏡面反 射光和環(huán)境規(guī)則透射光，以模擬周?chē)h(huán)境的光投射光和環(huán)境規(guī)則透射光，以模擬周?chē)h(huán)境的光投 射在景物表面上產(chǎn)生的理想鏡面反射和規(guī)則透射射在景物表面上產(chǎn)生的理想鏡面反射和規(guī)則透射 現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 圖圖11 物體表面的鏡面