消隐及真实感处理技术.ppt

消隐及真实感图形生成技术 观察空间的定义及转换 三维裁剪 投影消隐消隐 投影光照效果生成 投影 线框图 消隐图 真实感图形 三维形体 线框图消隐图真实感图形 消隐技术 线框图的二义性: 物体空间的消隐算法: 物体空间是指物体所在的空间 。这类算法是将物体表面的k个多边形中的每个面与 其余k-1个面进行比较，精确地求出物体上每个棱边 或每个面的遮挡关系。算法的计算量正比于k2。 图象空间的消隐算法：图象空间是相对于物体空间的 ，在消隐算法中，图象空间就是屏幕坐标空间。这类 算法对屏幕上的每个象素进行判断，以决定物体上哪 个多边形在该象素 点上是可见的。若屏幕上有m*n个 象素点，物体表面上有k个多边形，则该类消隐算法 计算量正比于m*n*k。 消隐算法 深度缓存算法 是一种典型的、也是最简单的图象空间消隐算法。 Y X O Z j i p1 p2 屏幕 物体 R 1、ZB为深度缓存，FB为帧缓存，初始化ZB和FB，使得ZB(i,j)=机 器最大值，FB(i,j)背景颜色。 其中，i=1,2,m. j=1,2,n. 2、FOR j=1,n /第j根扫描线。 FOR i=1,m /第j根扫描线上第i个像素。 FOR k=1,N /第k个多边形Pk 2.1 令Zij=机器最大值 2.2 判断点（i,j)是否在多边形Pk在XOY面上的投影多 边形内； 2.2 若点(i,j)在Pk的投影多边形内，则计算多边形Pk 在点(i,j)处的深度值Zij ； 2.3比较Zij与ZB(i,j)的大小，若Zij ZB(i,j)，则令 ZB(i,j)=Zij; FB(i,j)=多边形Pk的颜色。 优点： 1、算法简单，在X、Y和Z方向上没有进行任何排 序，和任何相关性计算。 2、便于硬件实现。现在一般高档图形工作站上，除 了帧缓存外，还带有用于消隐的深度缓存，从而克 服了深度缓存算法占用大量存储单元的缺点。 3、便于并行处理，进一步提高算法的速度。 是介于物体空间消隐和图象空间消隐的一种方法，在物空间中 计算物体上各面可见性的优先级，然后在像空间中产生消隐图 。 计算物体上各面的可见性的优先级，是按多边形离视点的远近 来进行排序，建立一张优先级表。 距离视点近的优先级高，远的优先级低。 生成图象时，优先级低的多边形先画，优先级高的多边形后画 。 画家算法（深度排序算法） u上图给出另外几个更复杂的情况，无法直接建立正 确的深度优先表。解决方法是沿多边形所在平面间 的交线循环分割这些多边形，至最后可完全确定其 优先级表。见虚线所示。 u下图给出的4种情况均可直接按优先级表的顺序处理 ，不必做特殊处理，显示结果符合实际情况。 z x z x P Q P Q z x P Q z x P Q 真实感图形生成技术 随着计算机技术与图形学的发展以及光栅显示器的出 现，加上包括存储器在内的各种计算机硬件的性能提 高，使得需要高速计算花大存储量的真实感图形生成 成为可能。真实感图形生成技术需要解决如下技术： 着色 光照 纹理 透明 良好的真实感图形显示应该具备 以下特点： 能反映物体表面颜色和亮 度的细微变化； 能表现物体表面的质感； 能表现光照下的物体阴影 ，极大地改善场景的深度 感和层次感，充分体现物 体间的相互遮挡关系； 能模拟透明物体的透明效 果和镜面物体的镜像效果 。 决定一个物体的外观的因素主要有以下几个方面： 1、首先是物体本身的几何形状； 2、其次是物体的表面特性；包括材料的粗糙度、感光度、 表面颜色和纹理等。 3、照射物体的光源性质。从光源发出的光有亮有暗、有不 同的颜色，我们可以用光的波长和光的强度来描述。光源还 有点光源、线光源、面光源和体光源之分。 4、物体与光源的相对位置。相对位置决定了物体反射光线 的情况，决定了高光区，背光区等在物体上的位置。 5、最后是物体周围的环境。它们通过对光的反射和折射， 形成环境光，在物体表面上产生一定的照度。 简单光反射模型 用简单光反射模型模拟光，照射到物体表面时，产生了光的反 射。反射光主要由漫反射光、环境光和镜面光三部分组成。 漫反射模型可以用Lambert余弦定理描述，如图所示，设物 体表面在P点的法向N，从P点指向光源的向量为L，两者的夹 角为。于是，点P处的漫反射光的强度为： Id=IpKdcos, 02 这里，Ip为入射光的强度，即点光源的光强；Kd为漫反射系数 ，是01之间的一个常数，取决于物体的材料属性和入射光 的波长；为光线入射角。 N L 环境光是光在物体和周围环境之间多次反射的结果，它 不是直接来自光源，而是来自周围的环境对光的反射。 环境光的特点是：照射在物体上的光来自周围各个方向 ，又均匀地向各个方向反射。设Ia为环境光的强度，于 是，P点对环境光的反射强度为 Ie=IaKa P 镜面反射光 镜面反射的特点：光源来自一个方向，反射光集中在反射方向 。如图 镜面反射模型又称Phong模型，可以表示为： Is=IpKscosn 其中，Is为镜面反射光在观察方向上的光强，Ip为点光源的强 度，Ks为镜面反射系数，为视点方向V与镜面反射方向R之间 的夹角，n是与物体表面光滑有关的一个常数，一般取为1 2000，表面越光滑，n越大。 N L R V 综上所述，从视点观察到物 体上任一点P处的颜色和亮 度I应为漫反射光强Id，环 境光反射光强Ie及镜面反射 光强Is的总和，即 IId+Ie+Is 多边形的明暗处理：Gouraud明暗处理 I1(x1,y1) I4(x4,y4) I2(x2,y2) I3(x3,y3) Ia(xa,ys) Ib(xb,ys) Is 改写为增量形式。当ys由j变为j+1时 对多边形顶点的光亮度作双线性插值 其中： xs由i增加为i+1时 I1(x1,y1) I4(x4,y4) I3(x3,y3) Ia(xa,ys) Ib(xb,ys) Is 1、计算多边形法向； 2、计算顶点的法向； 3、计算顶点的亮度； 4、插值计算中间点的亮度； 1、仍然用双线性插值，用增量式，减少计算量。 2、对顶点法向量进行插值，而不是对亮度插值。 3、对每个象素，由插值得到法向量计算各自的亮度。 4、仍然假定光源和视点都在无穷远。每点的亮度仅是该 点的法向量的函数。 I1(x1,y1) I4(x4,y4) I3(x3,y3) Ia(xa,ys) Ib(xb,ys) Is 多边形的明暗处理：Phone明暗处理 对多边形顶点的法向量作双线性插值 改写为增量形式。当ys由j变为j+1时 N1(x1,y1) N4(x4,y4) N2(x2,y2) N3(x3,y3) Na(xa,ys) Nb(xb,ys) Is 其中： xs由i增加为i+1时 Gourand明暗法与Phone 方法的最主要的区别是: Gourand方法是对亮度插 值，Phone方法是对顶点 法向量插值。 光