第6章 真实感图形显示.ppt

1、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A0，则

2、表示X方向与多面体异侧，这样的多边形表面是朝前的，即面向观察者的。为此，可以得出，朝前的表面是可见的，其边界（棱线）是可见的。,（3）消除隐藏线,为了消除隐藏线，可对面表中的每一个面进行朝向判别，根据前面面表和线表的描述，对可见面的边界线段在线表上加可见性标记。待所有的面被判断后，就可得到可见性标记的线表。如把可见线段显示或绘出，而未加可见性标记的线段（即不可见线段）不予显示、绘出或用虚线显示、绘出，则可以得到消除隐藏线的立体图形。,算法 ：,步骤1：对各个多面体分别进行消隐线处理，即消去物体被自身遮挡的不可见边； 步骤2：用步骤1检验得到的可见线段对其它多面体进行遮挡检验。消除由于物体空间位

3、置不同，一物体被其它物体遮挡的边。,（4）曲面立体隐藏线消除,曲面立体隐藏线消除，我们可以从实体的整个边界表面中任意给定一块性态良好的曲面，判定它是全部可见，部分可见，还是不可见。如果曲面仅部分可见，那么在该曲面上就有一条曲线是轮廓线的一部分。假设眼点在y轴上，同时表面法矢是从实体向外指向（如图6-7），则在该曲线上曲面法矢的y向量均为零。由于每一个法矢都能分解成两个分量，我们可根据上述表面法向朝向判断方法来进行可见性检验。,（5）隐藏线消除算法,A 最小最大检验 最小最大检验，又称为范围检验。如图6-8所示为两个平面多边形及其投影，围绕它们的投影图形，可以作出其边平行坐标轴的最小矩形，分别将

4、这两个多边形包容在其范围之内。如果这两个矩形不重叠，则该两平面多边形在空间不存在隐藏与被隐藏问题。,具体判断方法是：对两个多边形的最大与最小x坐标和y坐标进行检查，如果多边形A的xAmax小于多边形xBmin，以及多边形A的yAmax小于多边形B的yBmin，则这两个多边形将不存在相互遮蔽的情况。否则，要进行消隐处理。,B 包含性检验,指明确点与多边形之间的关系，即该点是否位于多边形内部。一般来说，如果该多边形为凸多边形，只要用不等式即可加以判断。但是，如果该多边形为凹多边形，则可采取以下的方法进行判断。,第一种方法：如图6-9 a）。从被检验点出发，引一条无限半直线，如果此直线与多边形的交点

5、个数为奇数，则该点位于多边形内部；如果交点个数为偶数，则该点位于多边形的外部。,第二种方法：如图6-9 b）所示。从被检验的点出发，连接多边形诸顶点，然后计算其中心角的总和ai。若ai =2，则该点位于多边形内部；如果ai =0，在该点位于多边形的外部。注意：在此假定中心角沿某方向为正（如逆时针为正），与之相反方向为负（顺时针为负）。,C 深度检验,如图6-10所示，设在空间有一平面多边形ABCD和点，它们在投影面Oxy平面上的投影为ABCD和Pt 。,设点Pt的深度（PtPt）为zt，过点Pt与z轴平行的直线与多边形相交于点Pp（xp,yp,zp），其深度（PpPt）为zp。则zp之值可利用

6、平面多边形的方程Ax+By+Cz+D=0来计算。由于已知xp=xt，yp=yt，因此：若zpzt，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6-12 a）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

7、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

8、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（x

9、minxxmax，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：=zmax intensityx,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

10、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

11、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

12、 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

13、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（Fractional Dimension）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