《真实感图形显示》.ppt

第六章真实感图形显示,6.1图形消隐处理的基本原理,a）b)c),图6-1未消隐的图产生的不确定性,图形生成对象的消隐算法,（1）以棱线为主体的方法；（2）以表面为主体的方法。也就是说在消隐算法中有隐藏线消除与隐藏面消除之分。,6.2消除隐藏线,（1）表面朝向：,（2）表面模型,凸多面体面表中的每一个面可以任取三个顶点（不共线），来定义，根据平面方程的计算公式，从而得到该三点所在的多边形表面的平面方程。,因此，若A0则表示X方向（1,0,0,0）与多面体在平面的同一侧，假定X轴指向观察者，于是可以知道，该三点所定义的面（即该三点所在的多边形表面）是朝后面的；反之，若Azt，则Pt是可见的（假定视点位于-z无穷远处）；若zpzt，则点Pt被多边形遮蔽，因此是不可见的。,D优先度检验,如果z0max小于z1min，如图6-12a）所示，则f0的优先度高于f1的优先度。,6.3消除隐藏面,对平面立方体，由于平面立方体的的表面是平面，其隐藏面的消除，根据前面表面朝向判别，只要逐个对面表中的面进行可见性判断，并加上可见性标志，然后对可见的表面再进行浓淡处理后输出，就可得到消除隐藏面的立体图形。曲面立体在进行消隐处理时，不仅要考虑诸曲面立体之间的遮蔽关系、一个曲面体诸曲面块之间的遮蔽关系，还要考虑曲面块自身的遮蔽关系。,假若物体的表面是曲面或曲面实体，这时我们可以采用平面多边形来近似曲面，然后按表面是平面的处理方法进行处理。,6.3.1隐藏面消隐算法,(1)Warnock算法,首先将初始的窗口（即平面）分割为四个子窗口，根据多边形与窗口的相对位置不同，可将多边形分为三种类型（如图6-14）：,(2)扫描线相关算法,相继地检查屏上的一系列窗口，每个窗口高为一条扫描线，其宽度与屏宽度相同。自上（下）而下（上）、从左至右地每条扫描线所形成的扫描平面与多边形相交，将扫描线分割成一段段取样区间，即相当于Warnock算法中屏幕内的正方形窗口。其数据按从左至右的顺序对交点进行排序，研究的是光栅扫描平面上线段之间的遮挡关系。,(3)深度列表排序算法,首先对构成多面体所有的面按其最小的z坐标进行列表排序，赋予每个面一个优先级等级，把各面按深度列出优先级顺序，并按优先级等级将面进行排序。即靠近观察点近的面，其优先级较远离观察点的高。然后，从优先级最低的面开始处理显示问题。,由于先处理的面的优先级低于后处理的，因此，当面重叠时，则优先级高的面将覆盖优先级低的面。,(4)深度缓冲器算法,深度缓冲器算法是所有像空间算法中最简单的一种。对于显示屏上的每个像素，记录下位于此像素内最靠近观察点的一个对象的深度，也要记录下用以显示此对象的亮度。假设视区为矩形区域（xminxxmax，yminyymax，其中xmin，xmax，ymin，ymax均为整数），并设置两个数组，即亮度数组intensityx,y和深度数组depthx,y，深度最大值（最远值）为zmax，每个数组的像素坐标x,y为地址索引，z轴代表深度方向。假设要消隐的物体由n个多边形表面构成，多边形可以是凹的，物体也不一定要是闭合的。,(4)深度缓冲器算法(续)：具体算法,A数据初始化：对屏上的全部像素置depthx,y：=zmaxintensityx,y：=背景值B对于场景中的每个多边形，找出多边形被投影到屏上时，位于其边界内的全部像素x,y，并对这些像素进行如下计算：利用平面方程求出多边形在x,y处的深度为zx,y；若zx,ydepthx,y，则在x,y处已记录的多边形比这个新的多边形更靠近观察者，因此这时不需进行处理。依次处理完所有多边形，亮度数组intensityx,y的内容向帧存储器输出即得到消隐后的立体图。,(5)曲面子分算,曲面子分算法用类似于Warnock子分窗口的方法提出了一个子分曲面的消隐算法。其基本思想：不断子分曲面，直到每个小曲面片投影到屏上时至多只包围一个像素。计算出对应于这一像素所对应的曲面上点的灰度或颜色强度，并进行显示，见图6-18。,6.4色彩与纹理,6.4.1色彩,为了标准化，1931年国际照明委员会（CIE）规定了三基色的波长：红光波长为700纳米，绿光波长为546.1纳米，蓝光波长为435.8纳米。并且规定，以光通量为1光瓦的红光作为红基色单位（R），以光通量为4.5907光瓦的绿光为绿基色单位（G），以光通量为0.0601光瓦的蓝光为蓝基色单位（B）。（R），（G），（B）称为三基色单位，简称为T单位。用R个（R），G个（G），B个（B）的光合成的光可以用配色方程表示为：,在RGB色彩立方体时，可以通过三维RGB空间的一个点由红色、绿色和蓝色部分的数据描述。在HLS双锥体时，在锥体基面上的角度确定色调，半径确定饱和，在锥体轴上的点定义亮度。双锥体的显示可用于事实上的计算，在白色、黑色明亮度范围感觉到比在中等明亮范围更小的色饱和度。,6.4.2纹理,(1)几何纹理当曲面用参数方程x=x（u，v），y=y（u，v），z=z（u，v）表示时，利用u-v平面上的平面几何纹理，就能在曲面上产生相应的几何纹理。例球面块:,在-平面上和均为常数所形成的方格就对应于球面上的方格（如图6-23）。若规定-平面上几何纹理的亮度或色彩在0，1之间，即：,(2)图像映射,把u-v平面上的一副实际图像映射到曲面x=x（u,v）,y=（u,v）,z（u,v）上去，最后在显示屏上显示出来。,(3)法线摄动在三维真实模型中，表面法线起着关键的作用。Blinn提出了一个形成表面粗糙纹理的方法，即对表面法线作微小的扰动，从而达到形成表面粗糙纹理。,(4)利用FRACTAL曲面分数维几何（FractionalDimension）的简称。一根直线是一维的，但是使它弯曲、伸长，则它的维数就在增加，最后可以变成二维的面。,6.5光线跟踪和光照模型,6.5.1可见面光线跟踪算法基本思想：观察者能够看见物体是由于光源发出的照射到物体上的结果，其中一部分光到达人的眼睛引起视觉。到达观察者眼中的光可由物体表面反射而来，也可通过表面折射或透射而来。,（1）典型光照模型,简单光照模型，是假定具有黯淡表面的物体排列在画面中，各处的光有相同的色彩和强度，这种不定向的环境光或散光灯从画面中的物体反射，它们与观察者的位置和本身的形式无关，在每一点的强度：式中：是表面材料的反射系数，是点光源的强度。,把一个点光源的方向纳入计算：,物体反射光的方式取决于其表面材料的特点、光源强度以及光源和表面法矢的夹角（如图6-31），反射出来的光的强度同入射光与物体表面法线之间夹角的余弦成正比。无光泽的面产生漫反射，它在各方向上散射的光相同。因此，不管从什么角度观察物体，都显示同样的亮度。其中漫反射强度：,镜面反射：,（1）光照模型的透明性和阴影技术,A透明性：式中，I1为可见面的光强，I2为可见面后第一个表面上的光强，t为I1所对应表面的透明度。t=0对应不可见，t=1时对应不透明面。若I2所对应的面也是透明面，则上述算法可递归地