真實感圖形顯示

1、（一）蘇 小 紅哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)(jsh)學(xué)院真實感圖形生成(shn chn)共五十二頁 真實感圖形繪制(huzh)流程場景造型取景變換背面剔除視域四棱錐裁剪透視變換隱面消除、場景造型光亮度計算掃描轉(zhuǎn)換、場景造型2共五十二頁取景(q jng)變換（1/5） 場景坐標(biāo)系場景的局部坐標(biāo)系完成物體的造型 場景的世界坐標(biāo)系（整體坐標(biāo)系）放入待繪制(huzh)的場景，定義物體之間的相互位置觀察坐標(biāo)系也稱攝像機(jī)坐標(biāo)系，或者視點坐標(biāo)系完成取景變換所需建立的第一個坐標(biāo)系3共五十二頁取景(q jng)變換（2/5）建立觀察坐標(biāo)系的步驟確定觀察參考點，即視點位置可以設(shè)在任何(rnh)位置通常選在靠近

2、或在物體的表面將視點位置取為視點坐標(biāo)系的原點確定觀察方向，即視線方向一般取深度坐標(biāo)軸，即ze軸的正向為簡便起見，設(shè)為總是指向場景坐標(biāo)系的原點確定觀察平面，即視平面位置一般取過視點且垂直于視線方向的平面，即xeye平面4共五十二頁取景(q jng)變換（3/5）場景坐標(biāo)系一般取右手坐標(biāo)系觀察坐標(biāo)系通常取左手坐標(biāo)系符合(fh)人們的觀察習(xí)慣 xwzwywzexeye視點E觀察坐標(biāo)系為左手坐標(biāo)系場景坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系O5共五十二頁取景(q jng)變換（4/5）將物體投影到觀察平面之前必須將場景坐標(biāo)系中的點轉(zhuǎn)換到觀察坐標(biāo)系中 這一過程稱為取景變換(binhun)，也稱視向變換包括平移和旋轉(zhuǎn)的一系列幾

3、何變換的級聯(lián) 取景變換矩陣 6共五十二頁取景(q jng)變換（5/5）場景坐標(biāo)系原點平移到視點位置E繞xe軸逆時針旋轉(zhuǎn)90 繞ye軸順時針旋轉(zhuǎn)角繞xe軸逆時針旋轉(zhuǎn)角調(diào)整x軸指向?qū)軸作對稱(duchn)變換xwzwywzexeyeEOCxCyCzxwzwywzexe yeEOCxCyCz90 xwzwywzexeyeEOCxCyCzxwzwywzexeyeEOCxCyCz7共五十二頁消隱(xio yn)算法按實現(xiàn)方式不同分為兩大類：景物空間（object space） 消隱(xio yn)算法直接在視點坐標(biāo)系中確定視點不可見的表面區(qū)域?qū)⑺鼈儽磉_(dá)成同原表面一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)側(cè)重于景中各物體之間的幾

4、何關(guān)系圖像空間（image space）消隱算法 在投影屏幕上，以屏幕像素為采樣單位，確定投影于每一像素的可見景物表面區(qū)域?qū)⑵漕伾鳛樵撓袼氐娘@示光亮度 側(cè)重于向屏幕投影后形成的圖像8共五十二頁背面剔除(tch)算法背面(bimin)剔除算法 法向向量N 視線向量V法向向量N 法向向量N 90 909共五十二頁隱藏(yncng)面的消除- Roberts算法（1/9）Roberts算法(sun f)景物空間消隱算法1963年，Roberts于MIT提出 10共五十二頁隱藏(yncng)面的消除- Roberts算法（2/9）基本思想消除被物體自身遮擋的邊和面再用每個物體留下的邊與其它(qt)物

5、體比較適用范圍凸體凹體怎么辦？分解成若干凸體的組合11共五十二頁隱藏面的消除(xioch)- Roberts算法（3/9）體矩陣平面(pngmin)方程ax+by+cz+d=0 12共五十二頁隱藏面的消除(xioch)- Roberts算法（4/9）求平面方程ax+by+cz+d=0的系數(shù) 利用(lyng)不共線三點坐標(biāo)利用平面的法向量平面法向量:n=ai+bj+ckd=-(ax1+by1+cz1) 利用Martin Newell方法 13共五十二頁隱藏(yncng)面的消除- Roberts算法（5/9）已知：S=x y z 1，P=a b c d若S在平面上 則SP=0若點S不在平面上則點

6、積的正負(fù)號標(biāo)識(biozh)點在平面的哪一側(cè)約定：若點S在體內(nèi)一側(cè)則SP0 若點S在體外一側(cè)則SP0如何得到正確的體矩陣？對體矩陣V進(jìn)行校正 在體內(nèi)找一試驗點S若某平面方程系數(shù)P與S的點積符號為負(fù)則將該方程系數(shù)均乘以-1 15共五十二頁隱藏(yncng)面的消除- Roberts算法（7/9）自隱藏面的判別 假設(shè)視點：位于z軸正向的無窮遠(yuǎn)處視線(shxin)方向：z軸負(fù)向的無窮遠(yuǎn)點 E=0 0 -1 0 用E作為試驗點判定一平面是自隱藏面的條件 EV Z-buf中對應(yīng)此像素點(x,y)的z值） 把多邊形在(x,y)處的深度值z(x,y)存入Z-buf中的(x,y)處； 把多邊形在(x,y)處的

7、亮度值存入f-buf中的(x,y)處； 當(dāng)所有的多邊形都處理完后，幀緩沖器中的內(nèi)容即為消除(xioch)隱藏面后的圖像30共五十二頁隱藏面消除(xioch)-深度緩沖器算法（5/8）優(yōu)點簡單在象素級上以近物代替遠(yuǎn)物，易于消除隱藏面，并準(zhǔn)確顯示復(fù)雜曲面之間的交線。計算量呈線性復(fù)雜度場景中景物表面采樣點的數(shù)目無需對各景物表面片作深度預(yù)排序景物表面上的可見點可按任意次序?qū)懭肷疃染彌_器和幀緩沖器易于硬件(yn jin)實現(xiàn)圖形工作站上配置由硬件實現(xiàn)的深度緩沖器算法很多微型機(jī)上都裝有基于深度緩沖器算法的圖形加速卡31共五十二頁隱藏(yncng)面消除-深度緩沖器算法（6/8）缺點需要很大的存儲空間象素數(shù)

8、目為500500，深度值采用浮點類型（4字節(jié)）除刷新緩存外，還需500*500*4=1M字節(jié)的額外存儲空間在實現(xiàn)反走樣、處理透明和半透明等效果方面存在困難，并由此會產(chǎn)生(chnshng)巨大的處理時間開銷由于在幀緩沖器內(nèi)的同一象素點上可見表面的寫入順序是不確定的，所以可能導(dǎo)致畫面上的局部錯誤。32共五十二頁隱藏面消除(xioch)-深度緩沖器算法（7/8）改進(jìn)一：減少需要(xyo)相對測試的多邊形平面數(shù)最小最大測試 不重疊,不可能互相遮蔽 測試無確定結(jié)果 對每條邊進(jìn)行最小最大測試XminXmax33共五十二頁隱藏面消除-深度(shnd)緩沖器算法（8/8）改進(jìn)二：利用連貫性計算深度水平(shu

9、png)方向豎直方向改進(jìn)三：降低對存儲空間的需求圖像空間劃分為4、16甚至更多的子正方形或條狀區(qū)域在最小情況下，只對應(yīng)一條掃描線的深度緩沖器掃描線相關(guān)算法34共五十二頁隱藏面的消除-掃描線相關(guān)(xinggun)算法（1/3）掃描線相關(guān)算法按掃描線順序處理一幀畫面在掃描平面（ZOX平面）上解決消隱問題由視點和掃描線所決定深度(shnd)緩沖器算法的一維版本深度緩沖器所需的存儲空間屏幕水平分辨率每個深度值所占的存儲位數(shù) 35共五十二頁隱藏(yncng)面的消除for (每條掃描線) 將掃描線幀緩沖器f_buf置成背景色； 將掃描線深度緩沖器Z_buf置成最小值； for (每個多邊形) 求出該多邊

10、形與當(dāng)前掃描線的相交區(qū)間(q jin)； for (相交區(qū)間內(nèi)每個象素點(x,y) 計算多邊形在該處的深度值z； if (多邊形在該處的深度值z Z_buf在該處的值) 用多邊形在該處的深度值z取代Z_buf在該處的值； 用多邊形在該處的亮度值取代f_buf在該處的值； 用f_buf的內(nèi)容顯示當(dāng)前掃描線；36共五十二頁隱藏(yncng)面的消除-掃描線相關(guān)算法（3/3）缺點在每一個被多邊形覆蓋像素處需要計算深度(shnd)值被多個多邊形覆蓋的像素需要多次計算深度值改進(jìn)在一條掃描線上，以區(qū)間為單位確定多邊形的可見性37共五十二頁隱藏面的消除(xioch)- Warnock算法（1/4）Warno

11、ck算法圖像(t xin)空間消隱算法區(qū)域的連貫性 也稱區(qū)域細(xì)分area-subdivision實質(zhì)分而治之 38共五十二頁隱藏(yncng)面的消除- Warnock算法（2/4）基本思想觀察整個窗口區(qū)域判別窗口是否單純(dnchn)窗口內(nèi)無任何可見物體窗口已被一個可見面片完全充滿將非單純的窗口四等分為四個子窗口對每個子窗口再進(jìn)一步判別是否是單純的直到窗口單純或窗口邊長已縮至一個象素點為止 即使10241024分辨率視圖被細(xì)分10次后，也能使每個子窗口覆蓋一個像素 39共五十二頁隱藏面的消除(xioch)- Warnock算法（3/4）關(guān)鍵步驟分析觀察窗口與所有投影后多邊形面片之間的關(guān)系分離

12、內(nèi)含相交包圍判別窗口(chungku)是否單純40共五十二頁隱藏(yncng)面的消除- Warnock算法（4/4）基本步驟對每個窗口判斷與多邊形分離(fnl)僅包含一個多邊形與一個多邊形相交被一個多邊形所包圍且窗口內(nèi)無其它多邊形至少被一個多邊形所包圍，且此多邊形距離視點最近否則繼續(xù)細(xì)分窗口，并重復(fù)以上測試41共五十二頁 光線(gungxin)投射算法（1/4）Ray CastingAppel提出建立在幾何光學(xué)(gungxu)基礎(chǔ)之上對于包含曲面、特別是球面的場景效率高42共五十二頁 光線(gungxin)投射算法（2/4）基本思想觀察者之所以能看見景物光源發(fā)出的光照射到物體上的結(jié)果其中一部

13、分光到達(dá)人的眼睛引起視覺到達(dá)觀察者眼中的光由物體表面反射通過表面折射或透射若從光源出發(fā)跟蹤光線則只有極少量的光能到達(dá)觀察者的眼睛效率低從視點或像素出發(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(tngzh)追蹤43共五十二頁將景物通過透視投影變換到圖像空間反向跟蹤一條穿過像素點的光線決定它與場景中的哪一景物表面相交交點按深度排序需求出該光線與景物表面的所有可能(knng)的交點具有最大z值的交點對應(yīng)的面就是屏幕上該像素對應(yīng)的可見面離視點最近該像素處的顯示值由相應(yīng)物體的屬性決定對屏幕上所有像素都進(jìn)行如上處理后，算法結(jié)束 視點光線投影面上的像素位置物體假設(shè)視點位于z

14、軸正向投影(tuyng)平面（屏幕）垂直于z軸反向跟蹤一條穿過像素點的光線光線投射算法（3/4）44共五十二頁光線(gungxin)投射算法（4/4）光線(gungxin)投射算法 for(y=0;y=ymax;y+) for(x=0;x=xmax;x+) 形成通過像素(x,y)的投影線； for(場景中的每一個多邊形）將投影線與多邊形求交； if(有交點) 以最近交點所屬多邊形的顏色顯示像素(x,y); else 以背景顏色顯示像素(x,y); 45共五十二頁陰影(ynyng)處理 （1/6）判斷視點、光源以及物體之間的位置關(guān)系(gun x) 從視點可見，從光源也可見從視點可見，從光源不可見

15、 相對于部分光源可見，相對于另一部分光源不可見46共五十二頁陰影(ynyng)處理（2/6）當(dāng)觀察方向與光源方向重合時觀察者看不到任何陰影可以(ky)不進(jìn)行陰影測試當(dāng)觀察方向與光源方向不一致或光源多且光源體制比較復(fù)雜時必須進(jìn)行陰影處理 47共五十二頁陰影(ynyng)處理（3/6）陰影由兩部分組成本影任何光線都照不到的區(qū)域呈現(xiàn)為全黑的輪廓分明(fnmng)的區(qū)域 半影 可接收到分布光源照射的部分光線的區(qū)域 通常位于本影周圍，呈現(xiàn)為半明半暗的區(qū)域 本半?yún)^(qū)影區(qū)影區(qū)影無光源面光源照射形成的本影與半影48共五十二頁陰影(ynyng)處理（4/6）點光源只能產(chǎn)生(chnshng)本影位于有限距離內(nèi)的分布

16、光源可同時產(chǎn)生本影和半影需要的陰影計算量大49共五十二頁陰影(ynyng)處理（5/6）計算陰影的過程相當(dāng)于兩次消隱過程對每個光源進(jìn)行消隱對視點(sh din)的位置進(jìn)行消隱好處改變視點位置，第一次消隱過程不必重新計算50共五十二頁陰影(ynyng)處理（6/6）產(chǎn)生的本影包括自身(zshn)陰影面假設(shè)視點在點光源位置，用背面剔除的方法求出投射陰影從光源向物體的所有可見面投射光線將這些面投影到場景中得到投影面將這些投影面與場景中其它平面求交線，可得陰影多邊形 自身陰影投射陰影51共五十二頁內(nèi)容摘要（一）。確定觀察方向，即視線方向。這一過程稱為(chn wi)取景變換，也稱視向變換。取景變換（5/5）。平面方程ax+by+cz+d=