5 真实感图形.ppt

1 第五章三维基础 理学院鲁萍 2 三维图形的基本问题 1 3 显示器屏幕 绘图纸等是二维的显示对象是三维的解决方法 投影 2 在二维屏幕上如何显示三维物体 1 如何表示三维物体 三维形体的表示 空间直线段 曲线段 多边形 曲面片三维形体的输入 运算 有效性保证 困难解决方法 各种用于形体表示的理论 模型 方法 3 三维图形的基本问题 2 3 3 如何反映遮挡关系 物体之间或物体的不同部分之间存在相互遮挡关系解决方法 消除隐藏面与隐藏线 真实感来源于透视关系和遮挡关系光线传播引起的物体表面颜色的自然分布解决方法建立光照明模型真实感图形绘制 4 如何产生真实感图形 4 三维图形的基本问题 3 3 三维图形的基本研究内容消除隐藏面与隐藏线投影建立光照明模型 5 隐藏面消隐 单个形体自身不同面的遮挡多个形体之间的遮挡 6 隐藏面消隐 背面消隐 背面消隐 系统对所有背面进行消隐 不予处理 背面 面向远离观察点的方向的物体的表面 v 观察者视线方向的向量 n 多边形表面的法向量 指出表面的朝向 背面 如n1正面 如n2 7 隐藏面消隐 背面消隐 8 隐藏面消隐 Z 缓冲器 像素 颜色 深度 远近 刷新缓冲器颜色信息 深度缓冲器 Z 缓冲器 深度信息 进行物体表面的可见性测试 新点与已有像素比较 深度小 近 保留新点 更新刷新缓冲器深度大 远 放弃该点 与物体绘制次序无关 123 9 隐藏面消隐 画家算法 受画家由远至近作画的启发 景物空间消隐算法 生成深度优先级队列从队列中依次取出多边形 计算其表面光亮度写入帧缓冲器直到队列空 据视点距离 最远次远 近 优点 动态显示 场景中的物体不变 视点变化事先把不同视点的景物的优先级队列算出再实时地采用画家算法来显示图形可以实现图形的快速消隐与显示 10 投影 1 10 显示器屏幕 绘图纸等是二维的显示对象是三维的解决方法 投影 2 在二维屏幕上如何显示三维物体 11 投影 2 10 将空间中的点P映射到投影平面上的映像P 投影平面构成图像的显示平面投影线从投影中心向物体上各点发出的射线平面几何投影投影面是平面投影线为直线投影变换投影过程投影的数学表示 12 投影分类 3 10 透视投影 投影线汇聚于一点 投影中心与投影平面之间的距离为无限 平行投影 投影线相互平行 13 投影分类 4 10 透视投影 投影线汇聚于一点 平行投影 投影线相互平行 正投影 投影线与视平面垂直相交 斜投影 投影线不与视平面垂直相交 特点 近大远小 更加真实 14 正平行投影 5 10 正投影每条投影线与视平面垂直 与z轴平行投影线上所有点 包括p和p 有相同x y坐标 正平行投影 15 斜平行投影 6 10 斜投影投影线不与视平面垂直P 为投影点 L垂直视平面 P 可由 角 角确定 斜平行投影 16 斜平行投影 7 10 L 实际上是L的映像斜等测投影 L L 即tan 1 45 与视平面垂直的线段投影后长度不变斜二测投影 L L 2 即tan 2 63 435 与视平面垂直的线投影后长度变为原来的一半 更真实 斜等测投影 17 透视投影 8 10 视平面xy平面 投影中心z轴上P 由 ABC A B C可算出 透视投影投影中心与投影平面之间的距离为有限参数 投影方向 距离例子 室内白炽灯的投影 视觉系统 18 透视缩短 近大远小 图形深度感强 看起来更真实失真 观察者不能从透视结果确定物体的大小失真 一组不平行于投影平面的平行线 经过透视投影之后相交于一点 称为灭点空间平行线可认为是相交于无穷远点 灭点可以看成是无穷远点经透视投影后得到的点 透视投影特点 9 10 19 三维图形的基本问题 2 3 真实感来源于透视关系和遮挡关系光线传播引起的物体表面颜色的自然分布解决方法建立光照明模型真实感图形绘制 4 如何产生真实感图形 20 色彩 是通过光被我们人眼所感知的光 实际上是一种按波长辐射的电磁能将不同波长的光波组合在一起 就会产生颜色 颜色 颜色的三个特性色调 一种颜色区别于其他颜色的因素饱和度 颜色的纯度 鲜艳程度 亮度 光的强度 光给人刺激得强度 21 Phong着色模型 1973年 PhongBuiTuong 博士论文 提出Phong镜面反射模型简称Phong模型计算镜面反射光光强的经验公式 22 光照模型 1 3 景物表面的材料反射系数 反射光 决定入射光中有多少光线被反射如 粉笔盒 镜子透明性 透射光 决定有多少光线从物体后面透射过来如 镜子 玻璃 反射光 透射光 光谱分布 呈现的颜色 强弱 明暗程度 景物表面的朝向景物表面与光源的相对位置 23 光照模型 2 3 局部光照模型只考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果景物表面通常被假定为不透明 均匀反射率整体光照模型考虑周围环境对景物表面的影响不仅能模拟连续的明暗色调 镜面高光 阴影还能模拟镜面映像 光的折射 相邻景物表面之间的色彩辉映等较为复杂精致的效果 24 光照模型 3 3 点光源 所有光能都从空中一个点发出的理想化的光源漫反射 来自光源的光能向所有方向反射或回弹镜面反射 入射光严格遵循光的反射定律单向地反射出去环境光 从周围环境的各个方向投射来的光 25 漫反射 1 3 漫反射 diffusereflection 可看成光穿过物体表面层被部分吸收后重新发射出来的光来自光源的光能向所有方向反射或回弹自然界中的绝大多数景物为理想漫反射体粗糙 无光泽表面 如纸张 石灰粉刷的白墙等各点反射光的强度只与 有关点光源强度 入射角物体表面的反射系数物体各面的朝向而与 无关观察者的观察位置 26 漫反射 2 3 Lambert余弦定律理想漫反射体在点光源照射下的光的反射规律漫反射光强度同入射光与物体表面法向之间夹角的余弦cos 成正比 漫反射系数 点光源强度 27 漫反射 3 3 28 理想的反射体 纯镜面 入射光严格遵循光的反射定律单向地反射出去一般光滑表面在微观上物体表面面元是由许多朝向不同的微小平面组成其镜面反射光分布于物面镜面反射方向的周围 镜面反射 1 3 29 镜面反射 3 反射光能分布在一个以R为中心轴线的小圆锥形空间内反射强度在R方向 0 最高 随着 增加而递减用模拟 k为镜面指数0 2000k 1暗淡表面 如纸张 木材 粉笔等 k 100光滑表面 如金属 玻璃等 30 镜面反射 3 3 Ks Ks Ks 31 环境光 1 2 环境光ambientlight 也称背景光或泛光从周围环境的各个方向投射来的光均匀地照射在场景中所有表面上等量地向各个方向反射精确模拟很耗时仅与 有关环境光强度Ia物体表面对环境光的反射系数Ka 材质属性 与 无关入射光的入射方向观察者的观察方向物体表面的朝向 32 环境光 2 2 33 环境光Ka漫反射Kd镜面反射Ks 34 Phong光照明模型 反射能量 环境光 漫反射 镜面反射 如果L N R和V都是单位向量 有 35 Phong模型 综合了漫反射 镜面反射及泛光反射分量 36 Phong光照明模型 多个光源 效果可以累积 通常 光强以RGB颜色向量表示 反射系数也是三维向量 则单点光源公式为 37 插值着色法 为每一个点计算光照颜色代价太高在某些关键点上使用公式 其他点近似推导常用方法常量着色法Gouraud着色法Phong着色法 38 常量着色法 表面选定一点计算颜色 用该颜色为整个表面着色适用 离光源较远的暗淡无光的多面体特点 优点 计算简单不能体现镜面高光会有颜色偏差对多边形的边界不能平滑过渡 39 Gouraud着色法 光强双线形插值在多边形顶点使用照明公式 P1 P2 P3 其他点进行插值计算 体现渐变效果 P P P 40 Phong着色法 法向量插值计算方法同Gouraud优缺点能较好地模拟高光相邻多边形之间的光亮度过渡更自然计算量比GouraudShading要大得多在镜面加亮方面有效 41 三维物体的相机模拟 1 将相机置于合适的位置 对准被拍摄区域视点的位置相机瞄准方向的参考点相机的向上的方向 调整视点的位置 即视点变换gluLookAt2 将三维物体放在场景中适当位置 模型变换 几何变换 如旋转 平移 缩放 42 三维物体的相机模拟 3 选择相机镜头并调焦 使三维物体投影在二维胶片上 定义视景体 将视景体内的三维模型投影到二维平面上 即投影变换4 冲洗底片 决定二维相片的大小 视口变换 规定屏幕上显示场景的范围和尺寸 43 三维物体的相机模拟 1 视点变换gluLookAt视点的位置相机瞄准方向的参考点相机的向上的方向2 模型变换 几何变换3 三维投影到二维4 冲洗底片 视口变换Viewport 44 视点观察变换 定义了视点的位置 相机瞄准方向的参考点以及相机的向上的方向观察变换在建模变换之前指定gluLookAt eyex eyey eyez centerx centery centerz upx upy upz 例 gluLookAt 0 0 0 0 0 100 0 1 0 九个参数都应该以世界坐标给定上例中参考点z坐标可以是任何负值 45 OpenGL观察变换 光源在圆环前上方 照亮圆环正面 光照亮了圆环的侧面 看到圆环侧面 1 光源和视点不动 圆环旋转 2 视点和光源一起移动到场景的侧面 光照亮了圆环的正面 看到圆环的侧面 1 视点不动 光源和圆环一起旋转 2 视点移动到场景的侧面 46 三维物体的相机模拟 1 视点变换gluLookAt视点的位置相机瞄准方向的参考点相机的向上的方向2 模型变换 几何变换3 三维投影到二维4 冲洗底片 视口变换Viewport 47 视区和窗口 假设有一个球体 半径为1 圆心在 0 0 0 48 地形的产生 环绕着最高山峰飞行的鸟所看到的景象 观察点围着山峰旋转太阳 光源 在鸟第一圈飞行中固定在天上固定光源位置 观察点旋转之后太阳随着飞鸟而行光源和观察点一起旋转 49 地形的产生 飞鸟变成悬在空中不动的直升飞机 观察点静止 太阳围绕着山峰盘旋移动光源 光源绕山峰旋转 50 地形的产生 飞鸟沿着直线在山地上空飞来飞去 观察点移动 平移 太阳呆在天上不动光源静止 51 课堂