計(jì)算機(jī)圖形學(xué)高級(jí)話題--真實(shí)感圖形生成

1、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：,引言 消隱 真實(shí)感圖形的繪制 實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù) 總結(jié),引言,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境感覺(jué)的圖形.,消隱,消隱的概念 消隱算法分類 消隱算法 深度緩存器算法 區(qū)間掃描線算法 深度排序算法 區(qū)域細(xì)分算法 光線投射算法 BSP樹(shù)算法 多邊形區(qū)域排序算法,消隱的概念,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)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深度信息，往往導(dǎo)致圖

2、形的二義性。 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)慣上稱作消除隱藏線和隱藏面，或簡(jiǎn)稱為消隱。 消隱實(shí)例,消隱實(shí)例,物體的線框圖 經(jīng)消隱處理后的圖形,消隱算法分類,按其實(shí)現(xiàn)方式分為： 圖像空間消隱算法 圖像空間(屏幕坐標(biāo)系)消隱算法以屏幕像素為采樣單位，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。如深度緩沖器算法、A緩沖器算法、區(qū)間掃描線算法等。 景物空間消隱算法 直接在景物(觀察坐標(biāo)系)中確定視點(diǎn)不可見(jiàn)的表面區(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BSP算法、多邊形區(qū)域排序算法等。 介于二者之間的算法，如深度排序算法、區(qū)域細(xì)分算法、光線投

3、射算法等。,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。 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)，用于提高排序效率。,基本的原則,9.1 深度緩存器算法（ Z-buffer）,基本原理 幀緩存：保存各像素點(diǎn)的顏色。 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-buffer）,圖9.1 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）,算法步驟 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。 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

4、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： 計(jì)算采樣點(diǎn)(x,y)的深度z(x,y)； 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。,如何計(jì)算采樣點(diǎn)(x,y)的深度z(x,y)。 假定多邊形的平面方程為：Ax+By+Cz+D=0。,深度緩存器算法（ Z-buffer）,圖9.2 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）,掃描線上所有后繼點(diǎn)的深度值： 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?。┙稽c(diǎn)的x值可以利用上一條掃描線

5、上的最左邊的x值計(jì)算：,深度緩存器算法（ Z-buffer）,掃描線深度緩存器算法：增加多邊形表,深度緩存器算法（ Z-buffer）,優(yōu)點(diǎn) 簡(jiǎn)單 便于硬件實(shí)現(xiàn) 缺點(diǎn) 占用太多的存儲(chǔ)單元 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）,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9.3 區(qū)間掃描線算法原理,9.2 區(qū)間掃描線算法,算法 三張表：邊表、多邊形表、有效邊表。 分割子區(qū)間，確定子區(qū)間上的唯一可見(jiàn)面。,圖9.4 掃描線子區(qū)間,區(qū)間掃描線算法,特殊情形 貫穿情形：為了使算法能處理互相貫穿的多邊形，掃描線上的分割點(diǎn)不僅應(yīng)包含各多邊形的邊

6、與掃描線的交點(diǎn)，而且應(yīng)包含這些貫穿邊界與掃描線的交點(diǎn)。 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9.5 多邊形貫穿和循環(huán)遮擋的情形,算法原理：算法約定距視點(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)低的多邊形先畫，優(yōu)先級(jí)高的多邊形后畫。這樣，后畫的多邊形就會(huì)將先畫的多邊形遮擋住，從而達(dá)到消隱的效果。 算法的關(guān)鍵是多邊形排序。,9.3 深度排序算法（畫家算法）,算法原理：考察投影平面上的一塊區(qū)域，如果可以很“容易”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)分為若干較小的區(qū)域

7、，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。,9.4 區(qū)域細(xì)分算法,多邊形的分類,圖9.6 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,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，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)

8、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9.7 滿足測(cè)試條件3的兩個(gè)例子,9.4 區(qū)域細(xì)分算法,算法原理,圖9.8 光線投射算法,9.5 光線投射算法,算法步驟 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。 將任一投影線與場(chǎng)景中的所有多邊形求交。 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。 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,BSP（Binary Space Partition） 算法原理,圖9.9 BSP樹(shù)算法

9、原理,9.6 BSP樹(shù)算法,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。,9.7 多邊形區(qū)域排序算法,真實(shí)感圖形的繪制,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. 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,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)。 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。 視域裁剪、消除隱藏面 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不可見(jiàn)面消除。 繪制真實(shí)感圖形 根據(jù)一定的光照模型和光強(qiáng)度計(jì)算，

10、將其轉(zhuǎn)換為適合圖形設(shè)備的顏色值，生成投影畫面上每個(gè)像素的光強(qiáng)度，讓觀察者產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。,基本概念,光照模型（Illumination model），也稱明暗模型，主要用于物體表面某點(diǎn)處的光強(qiáng)度計(jì)算。 簡(jiǎn)單的光照模型 復(fù)雜的光照模型 光強(qiáng)（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,簡(jiǎn)單的光照模型：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。 復(fù)雜的光照模型：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、光源的位置和個(gè)數(shù)等，這

11、種光照模型被稱為整體光照模型，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。 反射光由環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光三部分組成。,簡(jiǎn)單的光照模型,特點(diǎn)：照射在物體上的光來(lái)自周圍各個(gè)方向，又均勻地向各個(gè)方向反射。 P點(diǎn)對(duì)環(huán)境光的反射強(qiáng)度為,圖1 環(huán)境光的反射,環(huán)境光（Background Light）,一個(gè)粗糙的、無(wú)光澤的表面呈現(xiàn)為漫反射。 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。 由Lambert余弦定理可得點(diǎn)P處漫反射光的強(qiáng)度為： 若L和N都已規(guī)格化

12、為單位 矢量，則有,圖2 漫反射,漫反射光（Diffuse Reflection）,對(duì)于彩色,對(duì)于多個(gè)漫反射光源,漫反射光（Diffuse Reflection）,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)。 如果觀察者正好處在P點(diǎn)的鏡面反射方向上，就會(huì)看到一個(gè)比周圍亮得多的高光點(diǎn)。,圖3 鏡面反射,鏡面反射光,鏡面反射情況由Phong模型給出：,圖3 鏡面反射,若R和V已規(guī)格化為單位矢量，則：,鏡面反射光,從視點(diǎn)觀察到物體上任一點(diǎn)P處的光強(qiáng)度I應(yīng)為環(huán)境光反射光強(qiáng)度Ie、漫反射光強(qiáng)度Id以及鏡面反射光的光強(qiáng)度Is的總和： 多個(gè)點(diǎn)光源,物體表面光強(qiáng)計(jì)算,光在傳播的過(guò)程中，其能量會(huì)

13、發(fā)生衰減。光照模型中必須考慮光強(qiáng)衰減，否則會(huì)影響生成圖形的真實(shí)效果。 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。 常用的二次衰減函數(shù),光強(qiáng)衰減,選擇顏色模型（color model） 面向硬件的顏色模型：RGB、CMY 面向視覺(jué)感知的顏色模型：HSI 為顏色分量指定光照模型,顏色,以RGB顏色模型為例 環(huán)境光強(qiáng)度： 入射光強(qiáng)度： 環(huán)境光反射系數(shù)： 漫反射系數(shù)： 鏡面反射系數(shù)：,顏色,光強(qiáng)計(jì)算公式：,顏色,恒定光強(qiáng) Gouraud明暗處理 Phong明暗處理,10.2 基于簡(jiǎn)單光照模型的多邊形繪制,只用一種顏色繪制整個(gè)多邊形的前提條件 光源在無(wú)窮遠(yuǎn)處，則多邊形上所有點(diǎn)的LN為常數(shù)

14、，衰減函數(shù)也是一個(gè)常數(shù)。 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)。 多邊形是景物表面的精確表示，即不是一個(gè)含曲線面景物的近似表示。 缺點(diǎn)：相鄰多邊形法矢量不同，造成不連續(xù)。,恒定光強(qiáng),Gouraud明暗處理方法，又稱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)繪制其內(nèi)部各點(diǎn)，其步驟為： 計(jì)算每個(gè)多邊形頂點(diǎn)處的平均單位法矢量； 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)； 在多邊形表面上將頂點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行線性插值。,Gouraud明暗處理,雙線性插值方法,圖4 Gouraud 明暗處理的雙線性插值,Gouraud明暗處理,Gourand方法光滑處理示例,線框圖 恒定光強(qiáng)繪制圖 Gour

15、and方法光滑處理后圖形,Phong明暗處理方法，又稱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)生中間各點(diǎn)的法矢量，其步驟為： 計(jì)算每個(gè)多邊形頂點(diǎn)處的平均單位法矢量； 用雙線性插值方法求得多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的法矢量。 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,矢量雙線性插值方法,圖5 Phong明暗處理的矢量雙線性插值,Phong明暗處理,Phong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,牛的三角網(wǎng)格模型 用簡(jiǎn)單光照明模型顯示 明暗處理后模型顯示,10.3 透明處理,圖6 透明表面的光強(qiáng)包括反射光和折射光,圖7 簡(jiǎn)單的

16、透明處理（無(wú)折射）,透明處理,圖8 光的折射,透明處理,10.4 產(chǎn)生陰影,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一側(cè)，也就是與光源相反的一側(cè)。 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)。,產(chǎn)生陰影,產(chǎn)生具有陰影的圖形繪制算法 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：向光多邊形和背光多邊形。 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，并選用一種光照模型計(jì)算多邊形的亮度，就可得到有陰影效果的圖形。,10.5 模

17、擬景物表面細(xì)節(jié),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)。 幾何紋理：由于不規(guī)則的細(xì)小凹凸造成的。 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。,用多邊形模擬表面細(xì)節(jié) 紋理的定義和映射 凹凸映射,10.5 模擬景物表面細(xì)節(jié),簡(jiǎn)單地模擬景物表面細(xì)節(jié)的方法是用多邊形，稱為表面圖案多邊形，來(lái)模擬紋理的結(jié)構(gòu)和模式。 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體的表面上。,多邊形模擬表面細(xì)節(jié),生成顏色紋理的一般方法，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)

18、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。這種方法稱為紋理映射（Texture Mapping）。,紋理映射和定義,圖9 紋理映射中紋理空間、物體空間和像素空間的變換,紋理映射和定義,圖10 由像素空間向紋理空間的映射,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,1978年，Blinn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法凹凸映射技術(shù)（Bump Mapping）。,10.6 整體光照模型與光線跟蹤,整體光照模型 Whitted光照模型 光線跟蹤算法,整體光照模型,一個(gè)完整的光照明模型應(yīng)該包括由光源和環(huán)境引起的漫反射分量、鏡面反射分量、規(guī)則透射分量以及漫透射分量等。 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)代替，這類光照模型稱為局部光照模型。 能同時(shí)模擬光源和環(huán)境照明效果的光照模型稱為整體光照模型。,Whitted光照模型,Whitted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，以模擬周圍環(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)則透射現(xiàn)象。,圖11 物體表面的鏡面反射和投射,光線跟蹤算法,光線跟蹤（Ray Tracing）方法基