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.真實(shí)感圖形的繪制步驟1.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)。2.視域裁剪、消除隱藏面確定景物中的所有可見(jiàn)面，將視域之外或其它景物遮擋的不可見(jiàn)面消除。3.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。4.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，將其轉(zhuǎn)換為適合圖形設(shè)備的顏色值，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)。

消隱消隱的概念消隱算法分類(lèi)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(chēng)作消除隱藏線和隱藏面，或簡(jiǎn)稱(chēng)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(lèi)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?；镜脑瓌t

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(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(huà)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，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(lèi)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)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（BinarySpacePartition）算法原理圖9.9BSP樹(shù)算法原理

9.6BSP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)域排序算法基本概念光照模型（Illuminationmodel），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。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(lèi)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，還要考慮透明度、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?chē)鱾€(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（BackgroundLight）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)范化為單位矢量，則有圖2漫反射漫反射光（DiffuseReflection）對(duì)于彩色對(duì)于多個(gè)漫反射光源漫反射光（DiffuseReflection）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?chē)?/p>

亮得多的高光點(diǎn)。圖3鏡面反射鏡面反射光（specularreflection）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)范化為單

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)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（colormodel）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L?N為常數(shù)，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V?R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(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)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)恒定光強(qiáng)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4Gouraud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Gourand方法光滑處理后圖形Phong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5Phong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(lèi)：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(chēng)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)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)為紋理映射（TextureMapping）。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。

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