第十二讲真实感图形显示

第十二讲真实感图形显示内容提要真实感图形显示相关概念消隐处理

消除隐藏线（线框图）和隐藏面（浓淡图）

画家算法

Z缓冲区算法（光照模型）

光照模型 Gouraud Phong纹理真实感图形显示相关概念真实感图形 就是在面模型和体模型基础上，再对图形进行真实感修饰的处理，比如消隐（不显示隐藏的线和面）、光照、纹理、颜色等等方面的加工处理而生成的图形。线框图 通过消隐技术可以只保留了形体上看得见的部分，而屏蔽掉物体背面的线条乃至图形，使得生成的图形更加符合人们的视觉习惯，更加逼真，再对消隐图形进行的纹理、光照处理可以形成更加真实的物体图形

三种图形效果对比

（a）线框图（b）消隐图

（c）真实感图形物体初始构造消隐后的效果加入光照等后的效果消隐算法光照模型等消隐消隐算法 在视点确定之后，将对象表面上不可见的点、线、面消去所执行的算法。线消隐（Hidden-lineRemoval） 用于线框图，消隐对象是物体上的边，消除的是物体上不可见的边。面消隐（Hidden-surfaceRemoval） 用于填色图，消隐对象是物体上的面，消除的是物体上不可见的面。画家算法画家算法或油画算法执行步骤 先把屏幕置成背景色，再把物体的各个面离视点的远近进行排序。远者排在表头，近者排在表尾，构成深度优先级表。然后，从表头至表尾逐个取出多边形，投影到屏幕上，显示多边形所包含的实心区域。由于后显示的图形取代先显示的画面，而后显示的图形所代表的面离视点更近，所以，由远及近地绘制各面，就相当于消除隐藏面。实现支持：物体采用边界表示模式存储。数据文件由若干三元组和若干四元组组成。三元组表示物体顶点的坐标。四元组表示物体的某个面由哪些顶点构成。明面:视线对立法向指向,逆时针排列面的顶点。暗面：明面的背面。隐藏面示例Z缓冲区算法画家算法缺点： 算法中的深度排序计算量大，而且排序后，还需再检查相邻的面，以确保在深度优先级表中前者在前，后者在后。若遇到多边形相交，或循环重叠的情形，还必须分割多边形。为了避免这些复杂的运算，提出了Z-buffer算法。Z缓冲器算法 用帧缓冲器保存各象素颜色值，z缓冲器保存各象素处物体深度值，即物体距离观察者的远近程度。Z缓冲区算法实现步骤：先将z缓冲器全部单元的初始值置为-1(规格化视体的最小n值)。当要改变某个象素的颜色值时，首先检查当前多边形的深度值是否大于该象素原来的深度值（保存在该象素所对应的Z缓冲器的单元中），如果大于，说明当前多边形更靠近观察点，用它的颜色替换象素原来的颜色；否则说明在当前象素处，多边形被前面所绘制的多边形遮挡了，是不可见的，象素的颜色值不改变。Z缓冲区算法流程明暗处理明暗效应 指的是对光照射到物体表面所产生的反射/透射现象的模拟。当光照射到物体表面时，可能被吸收、反射或透射。被物体吸收的那部分光转化为热。而那些被反射、透射的光传到我们的视觉系统，使我们能看见物体。为了模拟这一物理现象，我们使用一些数学公式来近似计算物体表面按什么样的规律，什么样的比例来反射/透射光。这种公式称为明暗效应的模型。在某个算法中使用这种模型计算物体表面的明暗度的过程称为明暗效应的处理。三维形体的图形在经过消隐后，再进行明暗效应的处理，可以进一步提高图形的真实感。光的颜色 由光的波长决定。各种颜色光具有不同的波长。白色光含有所有可见波长的光。物体呈现出颜色是因为物体有选择地吸收某些波长的光。物体的颜色取决于未被吸收的那部分光的波长。光照模型假定光源为点光源，且为单光源。从某个点光源照射到物体表面一点，再反射出来的光可分为三个部分：泛光：光在任何方向上的分布都相同，模拟从环境周围散射到物体表面再反射出来的光。I=KaIa泛光漫反射常数，与物体表面性质有关。（0Ka1）入射的泛光光强漫反射光：光的空间分布也是均匀的，但是反射光强与入射角的余弦成正比。I=KdIlcos其中cos=L•N/(|L||N|)

镜面反射光：I=KsIlcosn 其中cos=N•H/(|N||H|)H=(L+E)/|L+E|点光源的入射光光强。漫反射常数，与物体表面性质有关。（0Kd1）镜面反射光光强。物体表面镜面反射系数,与入射角和波长有关。n越大，表面越光滑，反之越粗造物体表面法向量。光源类别常量明暗处理考虑光照效应为：I=KaIa+KdIlcos（泛光+漫反射光）在处理形体是多边形集合或多面体时，可计算出每个平面的法向，假定光源在无穷远处，那么每个多边形上所有点都具有相同的明暗度。故对于每个多边形，只需计算一次明暗度，多边形上每个可见点均按这个明暗度进行显示。这种明暗效应的处理方法一般称为常量明暗处理。缺点是邻接区域之间光强不连续。Gouraud明暗处理Gouraud明暗处理：（由Gouraud提出的强度插值模式） 只在多边形顶点处的平均单位法向量按上式计算明暗度，而对于多边形内各点，用顶点的明暗度的线性插值算出。线性插值可以与扫描线算法配合，用增量计算实现。缺点 要求光源方向与视线的方向比较接近。一般二者方向角不超过45°为宜。（否则对高光处理有误）Gouraud明暗处理图 计算顶点V处的法向量时取用了共享该顶点的所有多边形面法向量的平均值Phong明暗处理考虑光照模型为：I=KaIa+KdIlcos+KsIlcos（泛光+漫反射光+镜面反射光）由PhongBuiTuong提出的“法向量插值明暗处理”方法称为Phong明暗处理。步骤：确定每个多边形顶点处平均单位法向量；在多边形面上将顶点法向量进行线性插值。根据上述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度。优点：可再现高光（因含镜面反射）。由于插值是描述物体表面朝向的法向量，所以生成的图形具有更强的真实感。缺点：耗时。 对于更完善的真实感图象，必须使用更精确的方法，如光线跟踪、辐射度方法等。Phong对表面法线进行插值扫描线Phong对表面法线进行插值纹理纹理：表面细节。颜色纹理：通过颜色色彩或明暗度的变化凸显出来的表面细节。凸包纹理：由于不规则的细小凹凸造成的表面细节。可以通过纹理映射的方法给计算机生成的物体图象加上纹理。纹理生成的方法：