消隐及真实感图形生成技术

第六章消隐及真实感图形生成技术用户坐标系中的三维形体图像空间的三维形体二维变换输出二维坐标系下的图形图a的线框图对应于b还是c一、深度缓存算法〔z缓存算法〕1.根本思想：6.1消隐技术消隐：找出并消除物体中不可见的局部。消隐图：经消隐得到的图形2.算法实现过程：3.特点：深度缓存消隐算法的最大优点就在于简单，它在x，y，z方向上都不需要排序，屏幕上哪个象素点的颜色先计算，哪个后计算，其先后顺序是无关紧要的，不影响消隐结果，从而省去各个方向的排序时间。二、画家算法〔列表优先算法〕1.根本思想：2.算法实现过程：(1)首先将待显示的物体分为多个面集〔〕必要性：划分原那么：1.将相互别离的物体分到不同的面集中；2.尽量使面集中不出现互相遮挡的面。(2)面集内部计算各面优先级a.首先删去面集内部所有反向面b.其次，对面集中的各面进行两两比较，排出优先级A>B面A有可能遮挡面B〔一局部或全部〕，而面B不可能遮挡面A，那么面A的优先级高于面B的优先级；(3)不同面集的优先级排序以实例说明：(4)生成消隐图先显示优先级低的面集中的多边形，再显示优先级较高的面集中的多边形。一个面集中优先级低的多边形先画，就生成消隐图。6.2真实感图形生成技术所生成的的五彩斑澜的图形具有以下特点：①能反映物体外表颜色和亮度的细微变化；②能表现物体外表的质感；③能通过光照下的物体阴影，极大地改善场景的深度感和层次感，充分表达物体间的相互遮挡关系；④能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜象效果。决定一个物体外观的因素有：首先当然是物体本身的几何形状;其次是物体外表的特性，这包括材科的粗糙度、感光度、外表颜色和纹理等;第三是照射物体的光源。从光源发出的光有亮有暗、光的颜色有深有浅，我们可以用光的波长(即颜色)和光的强度(即亮度)来描述;眼睛能看到物体是因为有光线进入眼睛，而物体亮暗不同是光的强度不同导致的。第四是物体与光源的相对位置;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，在物体外表上产生一定的照度。生成真实感图形技术的关键在于充分考察上述影响物体外观的因素，建立适宜的光照模型，并通过显示算法将物体在显示器上显示出来。一、简单光反射模型反射光漫反射光环境光产生的反射光镜面反射光1、漫反射光特性的描述：

漫反射的特点：光源来自一个方向，反射光均匀地射向各个方向。其中：Ip为入射光的强度．即点光源的光强；Kd为漫反射系数，[0，1]，取决于物体的材料属性和入射光的波长；θ为光线的入射角，即L与N之间的夹角。N为物体外表p点处的法向量；L为入射光的方向向量。漫反射光的光强

Id为：其中：L,N都已规格化为单位向量更常用的表述方法：讨论：与视点的位置无关，视点移到任何地方，接收到的漫反射光强都相等。与平面的法向N及入射光的入射方向有关2、环境光特性的描述：

1〕一个物体的入射光有：点光源、环境光等3〕环境光的特点：照射在物体上的环境光来自周围各个方向，又均匀地向各个方向反射。2〕某物体接收到的环境光是来自周围物体的漫反射。4〕同一环境下的环境光是且是一个常数，恒定不变的，物体外表p点对环境光的反射强度Ie为：光滑的外表：入射光仅在镜面反射方向有反射现象，反射角等于入射角。只有在反射方向上，观察者才能看到从镜面反射出来的光线，而在其它方向都看不到反射光。这时，如果观察者正好处在严点的镜面反射的方向上，就会看到P点比周围亮得多，有一个高光点。非理想外表：反射光有一定的光强分布，镜面反射光的强度就会随a角的增加而急剧地减少，但观察者还是可以在a很小时接收到局部镜面反射光。镜面反射光的光强Is为：材料性质3、镜面反射光特性的描述：

更常用的表述方法：R为反射方向的单位向量；V为视点方向的单位向量；LRVqqαNHp综上所述，从视点v观察到物体上任一点p处的亮度I应为漫反射光强、环境光反射光强及镜面反射光强的总和，得到简单光反射模型为：上述模型可以用矢量点积形式给出：漫反射与镜面反射的效果漫反射强度镜面反射强度镜面参数ns

的影响效果ns=15 ns=5 ns=1二、基于多边形明暗处理应用光照模型可以完成由多边形组成的标准图形对象的外表绘制。在绘制时一般须结合扫描算法从光照模型实现多边形面片的逐点绘制。简单的作法是将每个多边形用单一光强来绘制。复杂的算法那么需逐点计算光强。恒定光强度的明暗处理(平面光强处理)： 为每个多边形建立一个光强度属性，该多边形面上所有点均用相同的光强值显示。假设以下假定成立，那么恒定光强的明暗处理可以准确地绘制出物体物体是一个多面体，不含曲面。所有照明光源离物体外表足够远。视点离物体外表足够远。如果条件不成立，仍可利用小多边形面片来合理地近似物体外表的光照效果。恒定光强度的明暗处理效果图10等分40等分40等分2.双线性亮度插值法〔Gouraud〕： Gouraud明暗处理通过在面片上将光强度值进行线性插值来计算各点光强，并完成绘制。消除在平面绘制中存在的光强不连续现象Gouraud明暗处理须进行以下计算：确定每个多边形顶点处的平均单位法向量对每个顶点，根据光照模型计算该点光强度在多边形外表上，将顶点光强度进行线性插值，计算各像素点的光强例如：图中顶点V处的法向量表示为：VN1N2N3N4在具体计算中一般结合扫描线算法进行。首先求出面片各顶点的法向量方向，并利用光照模型计算该点光强。由于法向量方向不同，因此各顶点光强也可能不同。在顶点光强根底上可以利用双线性插值确定每条扫描线上各个像素的光强。例如，以下图中P点的光强可以通过双线性插值计算：12345P扫描线YX讨论：1.难于表现曲折复杂的外表，例如以下图曲面2.由于采用光强的插值，会强烈影响高光的形状，因此从真实效果来看不够理想。明暗处理计算量小，方法简单，常用于简单的漫反射照射模型的光照处理3.双线性法向量插值法(Phong明暗处理)：不对光强度值进行线性插值来计算各点光强，而通过对法向量插值，得到各点法向量，然后再计算光强度，并完成绘制，那么更为精确。Phong明暗处理须进行以下计算：确定每个多边形顶点处的平均单位法向量在多边形外表上，将顶点法向量进行线性插值，计算各像素点法向量根据光照模型沿每条扫描线计算面上各点对应的投影像素的光强值例如：图中扫描线与多边形边交点的法向量为扫描线对面上的各点的法向量计算，与Gouraud算法相仿。在得到各像素点的法向量后可利用光照模型计算光强度。Phong光照明模型是真实感图形学中提出的第一个有影响的光照明模型，生成图象的真实度已经到达可以接受的程度；但在实际的应用中，由于它是一个经验模型，还具有以下的一些问题：用Phong模型显示出的物体象塑料，没有质感；镜面反射的高光颜色是光源的颜色，与物体的材料无关；环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光；镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真等。在更复杂的光照明模型中，对上述问题都作了一定的改进。例：各种明暗处理的效果三、光透射模型对于透明或半透明物体，透射光是隔着透明体观察到的，视点和光源应在透明体的两侧。一个理想的透明介质，只有在折线方向才能看到透过来的光线；而对于那些半透明的物体，观察者在透射方向的附近可以接受到一局部透射光。此透射光的强度为：T为折射方向的单位向量；V为视点方向的单位向量；为了减少计算量，上式可表述为：其中：四、完整光照模型照射到物体上的光线从光源直接射来的光线

周围其它物体产生的漫反射光线,即环境光周围其它物体从视线的反射方向来的光线周围其它物体从视线的折射方向来的光线产生的光强完整光照模型：局部光照模型＝光反射模型+透射模型〔透明体〕完整光照模型局部光照模型五、光线跟踪算法光线跟踪算法采用完整光照模型，模拟光的反射和透射，表现镜面物体的镜面映像、透明体的透明效果、以及物体间的阴影。视点可以在无穷远，也可以在空间中的任意一个地方。光源也是这样，而且可以有多个点光源。：在物体空间中，从视点逆着光线的方向向视平面上的象素点p作射线v，与物体O1交于A点。试确定这一点的亮度。〔光源的光强为Ip，背景的光强为Iw〕解：从视点看到的A点的亮度由以下三局部组成：光源直接照射及环境光所产生的光强——局部光照模型反射方向②来的光对A点的奉献透射方向③来的光对A点的光强即：（1）求（2）求〔3〕最后，