第7章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖形處理技術(shù)

計(jì)算機(jī)中的圖可分為兩種類型：即圖形與圖像。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（ComputerGraphics）是利用計(jì)算機(jī)研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學(xué)科。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中，最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應(yīng)用。本章將介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域和真實(shí)感圖形的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，使讀者對(duì)圖形學(xué)的基本內(nèi)容有基本的了解。7.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論

7.1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的主要內(nèi)容

圖形的應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)千年的歷史。早在兩千多年前，就出現(xiàn)了歐幾里德幾何，后來(lái)又出現(xiàn)立體幾何、解析幾何和樣條幾何，廣泛用于數(shù)學(xué)和建筑學(xué)，對(duì)科學(xué)和教育事業(yè)起了很大作用。

如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。圖形通常由點(diǎn)、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來(lái)看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，用于刻畫(huà)物體形狀的點(diǎn)、線、面、體等幾何要素。如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是反映物體表面屬性或材質(zhì)的灰度顏色等非幾何要素。它側(cè)重于根據(jù)給定的物體描述模型、光照及攝像機(jī)來(lái)生成真實(shí)感圖形。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。

7.1.3計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成與功能計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)應(yīng)由硬件設(shè)備和相應(yīng)的圖形軟件系統(tǒng)兩部分組成。

高質(zhì)量的計(jì)算機(jī)圖形離不開(kāi)高性能的計(jì)算機(jī)圖形硬件設(shè)備。例如，國(guó)際上廣泛使用的SunSPARC系列工作站、HP系列工作站，便是性能優(yōu)異的專用圖形系統(tǒng)。

圖形系統(tǒng)硬件通常由圖形處理器，圖形輸出設(shè)備和輸入設(shè)備構(gòu)成。圖形處理器是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要部件，是連接計(jì)算機(jī)和顯示終端的紐帶。圖形處理器具有存儲(chǔ)和處理圖形的功能，而且能完成大部分圖形函數(shù)計(jì)算，這樣就大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)顯示能力和顯示速度。

最常用的圖形輸入設(shè)備就是基本的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備鍵盤(pán)和鼠標(biāo)。人們一般通過(guò)一些圖形軟件由鍵盤(pán)和鼠標(biāo)直接在屏幕上定位和輸入圖形，如人們常用的CAD系統(tǒng)就是用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)命令生產(chǎn)各種工程圖的。此外還有跟蹤球、空間球、數(shù)據(jù)手套、光筆、觸摸屏等輸入設(shè)備。跟蹤球和空間球都是根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)定位和選擇。數(shù)據(jù)手套則是通過(guò)傳感器和天線來(lái)獲得和發(fā)送手指的位置和方向的信息。這幾種輸入設(shè)備在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的構(gòu)造和漫游中特別有用。光筆是一種檢測(cè)光的裝置，它直接在屏幕上操作，拾取位置。

隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖形輸入/輸出設(shè)備的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形軟件也不斷更新和完善，目前發(fā)展了許多支持計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的軟件系統(tǒng)。如各種子程序包、圖形函數(shù)庫(kù)、甚至是專用的圖形系統(tǒng)。隨著圖形系統(tǒng)的發(fā)展，提出了圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)程序的可移植性，開(kāi)發(fā)出了面向設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序包或面向用戶的圖形生成及管理程序包。

圖形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制是計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程領(lǐng)域的重要內(nèi)容。作為一個(gè)圖形系統(tǒng)，至少應(yīng)具有計(jì)算、存儲(chǔ)、輸入、輸出、對(duì)話等五個(gè)方面的基本功能。

計(jì)算功能

能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的計(jì)算、變換、分析等功能，如：圖元生成、坐標(biāo)變換等；

存儲(chǔ)功能

能存放（形體的）幾何數(shù)據(jù)、形體間的關(guān)系，并可對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢索、維護(hù)；

輸入功能

可輸入形體的幾何參數(shù)及各種命令。

7.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用7.2.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究最早起源于美國(guó)麻省理工學(xué)院。從20世紀(jì)50年代初到60年代中期，麻省理工學(xué)院（MIT）積極從事現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)／制造技術(shù)的開(kāi)拓性研究。計(jì)算機(jī)圖形(ComputerGraphics)這個(gè)術(shù)語(yǔ)是在1962年美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的IvanE.sutherland發(fā)表的一篇題為“Sketchpad:一個(gè)人一機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文中首次使用。它證明了交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)可行的、有用的研究領(lǐng)域，從而確立了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)嶄新的學(xué)科分支的獨(dú)立地位。

1964年，孔斯(S.Coons)提出了用小塊曲面片組合表示自由曲面，使曲面片邊界上達(dá)到任意高階連續(xù)的理論方法，稱孔斯曲面。此方法受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大重視。法國(guó)雷諾公司的貝賽爾(P.Bezier)也提出了Bezier曲線和曲面，并將其成功地用于幾何外形設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了用于汽車外形設(shè)計(jì)的UNISURF系統(tǒng)。他們被稱為計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的奠基人。

1964年，IBM公司推出了第一臺(tái)交互式光筆輸入顯示器的設(shè)計(jì)方案，以后經(jīng)過(guò)改進(jìn)，成為IBM2250顯示器。它預(yù)示著交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的誕生。洛克希德飛機(jī)公司利用IBM2250開(kāi)發(fā)了CAD繪圖加工系統(tǒng)，從1974年起向外界轉(zhuǎn)讓，成為IBM主機(jī)上目前應(yīng)用最廣的CAD／CAM軟件。

DAC-1,世界上首個(gè)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)，1959年由IBM開(kāi)發(fā)世界上第一臺(tái)光筆交互式圖形顯示器IBM22507.2.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)不斷發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也日趨廣泛。目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）

CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被廣泛用來(lái)進(jìn)行建筑工程設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。包括設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。在電子工業(yè)中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用到集成電路、印刷電路板、電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢(shì)是十分明顯的。一個(gè)復(fù)雜的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路版圖根本不可能用手工設(shè)計(jì)和繪制，用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)不僅能進(jìn)行設(shè)計(jì)和畫(huà)圖，而且可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成，把其結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理。在飛機(jī)工業(yè)中，美國(guó)波音飛機(jī)公司已用有關(guān)的CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音777飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)和模擬，其中包括飛機(jī)外型、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗(yàn)。

CAD領(lǐng)域另一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建就是從二維信息中提取三維信息，通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對(duì)應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)形體的重建。圖形化的用戶接口

目前正在研究下一代用戶界面，開(kāi)發(fā)面向主流應(yīng)用的自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語(yǔ)義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當(dāng)前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。地形地貌和自然資源圖

7.3圖形與圖像的區(qū)別與聯(lián)系

應(yīng)當(dāng)指出，從歷史上來(lái)看圖形和圖像有著較大不同，不能混為一談。直到目前為止，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理還是作為兩門(mén)課程分別講授的。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是指將點(diǎn)、線、面、曲面等實(shí)體生成物體的模型存放在計(jì)算機(jī)里，并可進(jìn)行修改、處理、操作和顯示的一門(mén)學(xué)科。圖形含有幾何屬性，或者說(shuō)更強(qiáng)調(diào)場(chǎng)景的幾何表示，是由場(chǎng)景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。

數(shù)字圖像處理技術(shù)是對(duì)計(jì)算機(jī)外部輔助設(shè)備（如掃描儀、數(shù)碼相機(jī)或視頻采集裝置等）輸入的圖像像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理、變換、壓縮和傳輸?shù)囊婚T(mén)計(jì)算機(jī)技術(shù)。就存儲(chǔ)方式而言，圖像純指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度或彩色信息圖形的幾何屬性，應(yīng)用面非常廣。圖形與圖像的主要區(qū)別有：數(shù)據(jù)來(lái)源不同

圖像數(shù)據(jù)來(lái)自客觀世界；圖形數(shù)據(jù)來(lái)自主觀世界。

處理方法不同

圖像處理方法包括幾何修正、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像理解、圖像識(shí)別等；圖形處理方法包括幾何變換、開(kāi)窗和裁剪、隱藏線和隱藏面消除、曲線和曲面擬合、明暗處理、紋理產(chǎn)生等。

理論基礎(chǔ)不同

圖像處理理論主要用到數(shù)字信號(hào)處理、概率與統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)等；計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論主要用到仿射與透視變換、樣條幾何、計(jì)算幾何、分形理論等。

圖形與圖像的對(duì)比與區(qū)別

圖形(Graphics)圖像(Image)數(shù)據(jù)量很少數(shù)據(jù)量很大有結(jié)構(gòu)，便于編輯修改無(wú)結(jié)構(gòu)，不便于編輯修改能準(zhǔn)確表示3D景物，易于生成所需的不同視圖3D景物的信息巳部分丟失，很難生成不同的視圖生成視圖需要復(fù)雜的計(jì)算生成視圖不需要復(fù)雜的計(jì)算自然景物的表示很困難自然景物的表示不困難國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：GKS，PHIGS，OpenGL，WMF，VRML;CGM，STEP，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：JBIG，JPEG，TIFF

編輯軟件(繪圖軟件):AutoCAD，CorelDRAW編輯軟件(圖像處理軟件)：Photoshop，Photostyler二維矢量繪圖與編輯矢量圖形對(duì)象與繪圖工具1.矢量圖形對(duì)象2.繪圖工具圖6-8矢量繪圖軟件提供的工具箱

交互式工具是矢量繪圖軟件中的一個(gè)非常重要的功能，通過(guò)一系列的交互工具的使用，可以創(chuàng)建出令人驚嘆的效果。使用“調(diào)和工具”，可以將兩個(gè)對(duì)象通過(guò)調(diào)和平滑的組合在一起，在矢量圖形對(duì)象之間產(chǎn)生形狀、顏色的連續(xù)變化（圖a）。交互式變形工具可以同時(shí)對(duì)多個(gè)矢量對(duì)象進(jìn)行變形（圖b）。(a)交互式調(diào)和工具效果(b)交互式變形工具效果（注意變形前后兩個(gè)圖形的不同）圖

交互式工具的使用路徑與錨點(diǎn)開(kāi)放路徑：路徑有兩個(gè)明顯的端點(diǎn)（錨點(diǎn)），中間有任意數(shù)目的定位點(diǎn)。閉合路徑：路徑是連續(xù)的，沒(méi)有終點(diǎn)和起始點(diǎn)。閉合路徑對(duì)象是可以填充的，而開(kāi)放路徑對(duì)象則不能填充。復(fù)合路徑：由兩個(gè)或多個(gè)開(kāi)放或閉合路徑組成。圖

路徑及其繪圖實(shí)例曲線編輯圖

由兩個(gè)Bazzier曲線段連接而成的曲線，拖動(dòng)方向線可改變曲線的彎曲形狀三維造型圖

用AdobeIllustratorCS矢量繪圖軟件設(shè)計(jì)的三維圖形7.4真實(shí)感圖形技術(shù)什么是真實(shí)感圖形

計(jì)算機(jī)真實(shí)感圖形是一種光柵圖形。光柵圖形顯示器的屏幕由一系列顯示單元組成，每一個(gè)顯示單元稱為一個(gè)像素。生成一幅真實(shí)感圖形時(shí)，我們必須逐個(gè)像素地計(jì)算畫(huà)面上相應(yīng)景物表面區(qū)域的顏色。顯然，在計(jì)算可見(jiàn)景物表面區(qū)域的顏色時(shí)，不但要考慮光源對(duì)該區(qū)域入射光的光亮度，而且還要考慮該表面區(qū)域?qū)庠吹某颍砻娴牟牧虾头瓷湫再|(zhì)等。簡(jiǎn)言之，這種計(jì)算必須基于一定的光學(xué)物理模型，我們將其稱之為光照明模型。基于場(chǎng)景幾何和光照模型生成一幅真實(shí)感圖形的過(guò)程稱之為繪制。由于光柵圖形屏幕通常包含數(shù)十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)像素，因此，如何開(kāi)發(fā)利用景物的空間連貫性和圖像空間連貫性，提高繪制算法的效率是真實(shí)感圖形技術(shù)研究的重點(diǎn)。

真實(shí)感圖形是一種計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù)，它首先在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造出所需場(chǎng)景的幾何模型，然后根據(jù)假定的光照條件，計(jì)算畫(huà)面上可見(jiàn)的各景物表面的光亮度，使觀者產(chǎn)生如臨其境，如見(jiàn)其物的視覺(jué)效果。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)本身的發(fā)展，真實(shí)感圖形學(xué)在我們?nèi)粘５墓ぷ?、學(xué)習(xí)和生活中已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用。

7.4.1真實(shí)感圖形生成步驟

用計(jì)算機(jī)在圖形設(shè)備上生成連續(xù)色調(diào)的真實(shí)感圖形，必須完成下面四個(gè)基本的任務(wù)：三維造型或建模。用數(shù)學(xué)方法建立所需三維場(chǎng)景的幾何描述，并將它們輸入到計(jì)算機(jī)中。這一部分的工作通常是由三維立體造型系統(tǒng)或曲面造型系統(tǒng)完成的。場(chǎng)景的幾何描述直接影響了圖形的復(fù)雜性和圖形繪制的計(jì)算開(kāi)銷。將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維透視圖。這可通過(guò)對(duì)場(chǎng)景的透視變換來(lái)完成。

確定場(chǎng)景中的所有可見(jiàn)面。這需要使用隱藏面消除算法將視野之外或被其他物體遮擋的不可見(jiàn)面消去。根據(jù)基于光學(xué)物理的光照明模型計(jì)算可見(jiàn)面投射到觀察者眼中的光亮度大小和色彩組成，并將它轉(zhuǎn)換成適合圖形設(shè)備的顏色值，從而確定投影畫(huà)面上每一像素的顏色，最終生成圖形。7.4.2三維幾何造型方法

幾何造型技術(shù)是一項(xiàng)研究在計(jì)算機(jī)中如何表達(dá)物體模型形狀的技術(shù)。它從誕生到現(xiàn)在，僅僅經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷史，由于幾何造型技術(shù)研究的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件性能的大幅度提高，已經(jīng)出現(xiàn)了許多以幾何造型作為核心的實(shí)用化系統(tǒng)，在航空航天、汽車、造船、機(jī)械、建筑和電子等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

在幾何造型系統(tǒng)中，描述物體的三維模型有三種，即線框模型、表面模型和實(shí)體模型。

線框模型是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和CAD/CAM領(lǐng)域最早用來(lái)表示物體的模型，是歷史最久的建模方法，它建立在牢固的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，線框模型所描述的物體的幾何信息都是可知的，控制的靈活性最高，在需要精確描述的場(chǎng)合（如CAD）有其他方法無(wú)法替代的作用。計(jì)算機(jī)繪圖是這種模型的一個(gè)重要應(yīng)用。

表面模型在線框模型的基礎(chǔ)上，增加了物體表面的信息。它用面的集合來(lái)表示物體，而用環(huán)來(lái)定義面的邊界。三維表面模型表示三維物體的信息并不完整，但它能夠表達(dá)復(fù)雜的曲面，在幾何造型中具有重要的地位。對(duì)于支持曲面的三維實(shí)體模型，表面模型是它的基礎(chǔ)。

實(shí)體模型是最高級(jí)的模型，它能完整表示物體的所有形狀信息，可以無(wú)歧義地確定一個(gè)點(diǎn)是在物體外部、內(nèi)部或表面上，這種模型能夠進(jìn)一步滿足物理計(jì)算、有限元分析等應(yīng)用的要求。

圖三維實(shí)體模型的表示7.4.3消隱算法

人不能一眼看到一個(gè)三維物體的全部表面。從一個(gè)視點(diǎn)去觀察一個(gè)三維物體，必然只能看到該物體表面上的部分點(diǎn)、線、面，而其余部分則被這些可見(jiàn)部分遮擋住。如果觀察的是若干個(gè)三維物體，則物體之間還可能彼此遮擋而部分不可見(jiàn)。因此，如果想有真實(shí)感地顯示三維物體，必須在視點(diǎn)確定之后，將對(duì)象表面上不可見(jiàn)的點(diǎn)、線、面消去。執(zhí)行這一功能的算法，稱為消隱算法。消隱算法是將物體的表面分解為一組空間多邊形，研究多邊形之間的遮擋關(guān)系。從應(yīng)用的角度看，有兩類消隱問(wèn)題：線消隱（Hidden-line），它用于線框圖；面消隱（Hidden-surface），它用于表面填色。消隱算法大致可以分為：物體空間法、圖像空間法和排列優(yōu)先法。這三種算法是根據(jù)由多面體構(gòu)成一個(gè)物體，從某個(gè)視點(diǎn)來(lái)看，判斷出哪個(gè)部分是可視的判斷基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行分類的。物體空間法是在其整個(gè)空間內(nèi)判斷其可視性的方法。圖像空間法是利用物體投影的投影面來(lái)進(jìn)行可視判斷的方法排列優(yōu)先發(fā)是對(duì)構(gòu)成物體的多面體或構(gòu)成多面體的多邊形，根據(jù)從視點(diǎn)比較容易看到的優(yōu)先順序進(jìn)行排列，將優(yōu)先順序高的面所遮擋的面消去的方法。(a)線框圖(b)從右上往下看（C）從左下住上看

圖

線框模型具有二義性

線框圖線消隱面消隱

圖

線消隱與面消隱

經(jīng)線消隱處理的三維線框圖

經(jīng)面消隱處理的三維填色圖

7.4.4光照模型

當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，光線可能被吸收、反射和透射。被物體吸收的部分轉(zhuǎn)化為熱。反射、透射的光進(jìn)入人的視覺(jué)系統(tǒng)，使我們能看見(jiàn)物體。為模擬這一現(xiàn)象，我們建立一些數(shù)學(xué)模型來(lái)替代復(fù)雜的物理模型。這些模型就稱為光照明模型或者明暗效應(yīng)模型。在真實(shí)感圖形學(xué)中，為了模擬現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景，我們一般需要知道這個(gè)場(chǎng)景的光照明效果的物理模型，然后我們用一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)表示它，通過(guò)計(jì)算這種數(shù)學(xué)模型可以得到計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的真實(shí)感效果。三維形體的圖形經(jīng)過(guò)消隱后，再進(jìn)行光照處理，可以進(jìn)一步提高圖形的真實(shí)感。

照射到物體上的光線，不僅有從光源直接射來(lái)的，也有經(jīng)過(guò)其他物體反射或折射來(lái)的。局部光照模型只能處理直接光照，為了對(duì)環(huán)境中物體之間的各種反射、折射光進(jìn)行精確模擬，需要使用整體光照模型

(a)采用局部光照模型繪制的三維球體

(b)采用整體光照模型繪制的三維球體

圖局部光照模型和整體光照模型示例表現(xiàn)場(chǎng)景整體照明效果的一個(gè)重要方面是透明現(xiàn)象的模擬。下圖模擬了場(chǎng)景中透明物體的整體照明效果。圖

用整體照明模型模擬的物體透明效果在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，物體表面的細(xì)節(jié)稱為紋理。一般只考慮兩種類型的紋理。一種是在光滑表面上繪制一定的花紋或圖案，當(dāng)花紋繪制后，表面仍然光滑如初，一般這一過(guò)程可用一映射函數(shù)來(lái)描述。另一種是使物體表面出現(xiàn)凹凸不平的感覺(jué)。這一過(guò)程則可用一個(gè)擾動(dòng)函數(shù)來(lái)描述。表面紋理（Texture）的描繪用于表示細(xì)微的凹凸不平的物體表面，如布紋、植物和水果的表皮等等。由于將這種細(xì)微的表面凹凸表達(dá)為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)既很困難，又無(wú)必要（通常只是為了逼真的視覺(jué)效果），因此通常用一種特殊的算法來(lái)模擬它，將紋理逼真地顯示出來(lái)，滿足視覺(jué)感官的需要。圖

采用紋理映射生成的物體表面陰影的生成

陰影是現(xiàn)實(shí)生活中一個(gè)很常見(jiàn)的光照現(xiàn)象，它是由于光源被物體遮擋而在該物體后面產(chǎn)生的較暗的區(qū)域。在真實(shí)感圖形學(xué)中，通過(guò)陰影可以提供物體位置和方向信息，從而可以反映出物體之間的相互關(guān)系，增加圖形圖像的立體效果和真實(shí)感。當(dāng)我們知道了物體的陰影區(qū)域以后，就可以用簡(jiǎn)單光照明模型中計(jì)算光強(qiáng)。對(duì)于物體表面的多邊形，如果在陰影區(qū)域內(nèi)部，那么該多邊形的光強(qiáng)就只有環(huán)境光那一項(xiàng)，否則就用正常的模型計(jì)算光強(qiáng)。通過(guò)這種方便的方法，就可以把陰影引入簡(jiǎn)單光照明模型中，使產(chǎn)生的真實(shí)感圖形更有層次感。

圖

光照模型中的陰影表示2.光線跟蹤光透射光線跟蹤（Ray-trace）是一種真實(shí)感地顯示物體的方法，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，這是光線跟蹤算法的基礎(chǔ)。下圖顯示了一個(gè)光線跟蹤的例子圖

光線跟蹤示例對(duì)于透明或半透明的物體，在光線與物體表面相交時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生反射與折射，經(jīng)折射后的光線將穿過(guò)物體而在物體的另一個(gè)面射出，形成透射光。由于透明物體可以透射光，因而我們可以透過(guò)這種材料看到后面的物體，由于光的折射通常會(huì)改變光的方向，要在真實(shí)感圖形學(xué)中模擬折射，需要較大的計(jì)算量。下圖是計(jì)算機(jī)生成的透明物體的光線跟蹤與光透射場(chǎng)景。圖

用光線跟蹤與光透射模型生成的三維透明物體場(chǎng)景7.4.5實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)

前面介紹的光照明模型及它們?cè)谡鎸?shí)感圖形學(xué)中的一些應(yīng)用方法，它們都是用數(shù)學(xué)模型來(lái)表示真實(shí)世界中的物理模型，可以很好的模擬出現(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜場(chǎng)景，所生成的真實(shí)感圖像可以給人以高度逼真的感覺(jué)。但是，用這些模型生成一幅真實(shí)感圖像需要較長(zhǎng)的時(shí)間，尤其對(duì)于比較復(fù)雜的場(chǎng)景，繪制的時(shí)間甚至可以達(dá)到數(shù)個(gè)小時(shí)。盡管現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)硬件水平有了很大的提高，而且對(duì)于這些真實(shí)感圖形學(xué)算法的研究也有了很大的發(fā)展，但是，真實(shí)感圖形的繪制速度仍然不能滿足某些需要實(shí)時(shí)圖形顯示的任務(wù)要求。例如在某些需要?jiǎng)討B(tài)模擬、實(shí)時(shí)交互的科學(xué)計(jì)算可視化以及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，它們對(duì)于生成真實(shí)感圖形學(xué)的實(shí)時(shí)性要求很高，就必須采用實(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)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(shí)間內(nèi)完成真實(shí)感圖形圖像繪制的技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，它是通過(guò)損失一定的圖形質(zhì)量來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)繪制真實(shí)感圖像的目的，就目前的技術(shù)而言，主要是通過(guò)降低顯示三維場(chǎng)景模型的復(fù)雜度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種技術(shù)被稱為層次細(xì)節(jié)（LOD：LevelofDetail）顯示和簡(jiǎn)化技術(shù)，是當(dāng)前大多數(shù)商業(yè)實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形生成系統(tǒng)中所采用的技術(shù)。

7.5.1矢量圖

客觀世界中，圖可分為二類。一類是可見(jiàn)的圖像，例如照片、圖紙和人們創(chuàng)作的各種美術(shù)作品等，對(duì)于這一類圖，只能靠使用掃描儀、數(shù)字照相機(jī)或攝像機(jī)進(jìn)行數(shù)字化輸入后，才能由計(jì)算機(jī)進(jìn)行間接處理。另一類是可用數(shù)學(xué)公式或模型描述的圖形，這一類圖可由計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行創(chuàng)作與處理。由此對(duì)應(yīng)的圖文件有兩種，一種是存儲(chǔ)圖形信息的矢量圖文件，另一種是存儲(chǔ)圖像信息的位圖文件。

矢量圖形特點(diǎn)是精度高、靈活性大，并且用它們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的作品可以任意放大、縮小而不變形失真。它不會(huì)像一些位圖處理軟件那樣，在進(jìn)行高倍放大后圖像會(huì)不可避免地方塊化。用矢量圖制作的作品可以在任意輸出設(shè)備上輸出而不用考慮其分辨率。矢量圖在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)格式大都不固定，要視各個(gè)軟件的特點(diǎn)由開(kāi)發(fā)者自定。相對(duì)于位圖來(lái)講，矢量圖占用的存儲(chǔ)空間較小。但在屏幕每次顯示時(shí)，它都需要經(jīng)過(guò)重新計(jì)算，故顯示速度沒(méi)有圖像快。

7.5.2AutoCAD