真實感圖形生成技術方案

2023/8/8計算機圖形學演示稿1

第七章真實感圖形生成技術真實感圖形生成技術涉及到的主要問題隱藏線面的消除明暗處理陰影處理紋理處理等2023/8/2計算機圖形學演示稿1第七章真實感圖形2023/8/8計算機圖形學演示稿27.1隱藏線面的消除在用計算機生成三維圖形時，形體的所有部分都將被表示，不管是可見的還是不可見的，這樣的圖形顯示出來形狀是不清楚的，甚至是不確定的。圖1（a）所示是一個通過棱邊表示的立方體的圖形，如果不消隱不易辨別。通過適當刪除不可見的隱藏部分，可以得到表示明確的圖形。圖1（b）是觀察點在立方體的前上方的消隱圖，圖1（c）是觀察點位于立方體的前下方消隱圖，消隱圖表示了明確的立體感形體。圖12023/8/2計算機圖形學演示稿27.1隱藏線面的2023/8/8計算機圖形學演示稿3

觀察點確定后，找出并消除圖形中不可見的部分，稱為消隱。經(jīng)過消隱得到的圖形稱為消隱圖。消除隱藏線和隱藏面是計算機圖形學中一個較為困難的問題，消隱算法是決定相對于空間給定位置的觀察者，哪些棱邊、表面或物體是可見的，哪些是不可見的。消隱不僅與消隱對象有關，還與觀察點、觀察方向、投影面等的設置方位有關。改變這些設置，物體上某些可見的部分將會變成不可見，某些不可見的部分又會變成可見。雖然各種消隱算法的基本思想有所不同，但它們大多采用了排序和相關性以提高效率。排序的主要目的是區(qū)分體、面、邊、點與觀察點間幾何距離的遠近。因為一個物體離觀察點愈遠，它愈有可能被另一距觀察點較近的物體部分地或全部遮擋。消隱算法的效率在很大程度上取決于排序的效率。通常利用畫面在局部區(qū)域內(nèi)的相關性來提高排序過程的效率。2023/8/2計算機圖形學演示稿3觀察點確定后2023/8/8計算機圖形學演示稿4

消隱算法一般可以分為兩類。如果算法是在物體所定義的空間實現(xiàn)，那么這種算法稱為對象空間算法；如果算法是在物體投影后的屏幕坐標空間實現(xiàn)，那么這種算法就稱為圖象空間算法。一般說來，對象空間算法有比較高的精度，而圖象空間算法在精度上受屏幕分辨率的限制，但可以方便地利用圖象空間中各種相關性獲得較高的計算效率。7.1.1凸多面體的消隱算法在消隱問題中，凸多面體是最簡單情形。凸多面體是由多個凸多邊形平面包圍而成的立體，連接形體上不屬于同一表面的任意兩點的線段完全位于形體的內(nèi)部。對于單個凸多面體，背向觀察點的面是不可見面，如圖2所示。因此，只要判斷出這些“朝后面”，即可達到隱藏面消除的目的。2023/8/2計算機圖形學演示稿4消隱算法2023/8/8計算機圖形學演示稿5圖2

構(gòu)成多面體的每個平面都有其法線。通常規(guī)定法線的方向是由多面體的內(nèi)部指向多面體的外部，稱為“外法線”。2023/8/2計算機圖形學演示稿5圖2構(gòu)成多面2023/8/8計算機圖形學演示稿6假定在右手坐標系中，觀察點位于原點，投影面平行于XY坐標平面，以Z軸作為深度坐標軸，視線平行于Z軸，如圖3所示，則平面外法線同Z軸方向的夾角，就是外法線同視線的夾角。很顯然，對于單個凸多面體，當外法線同視線的夾角小于90°時，其平面背向觀察點為不可見面。圖32023/8/2計算機圖形學演示稿6假定在右手坐標系中，2023/8/8計算機圖形學演示稿7設平面外法線同Z軸方向的夾角為β，則cosβ為單位平面外法線矢量在Z軸上的分量。β角同可見性的關系為：（1）當0≤β≤90

時，cosβ＞0，此面背向觀察者為不可見面。（2）當﹦90

時，cosβ﹦0，此面平行于Z軸，可以認為是不可見面。（3）當90≤β≤180

時，cosβ＜0，此面朝向觀察者的，為可見面。設平面方程為

Ax+By+Cz+D=0法向矢量為

N﹦Ai﹢Bj﹢Ck則cosβ﹦C/|N|。作為判斷依據(jù)，只需要知道cosβ的正負號就夠了。因為|N|恒大于0，所以cosβ的符號由C決定，因此，當C＜0時，為可見面。當C≥0時，為不可見面。2023/8/2計算機圖形學演示稿7設平面外法線同Z軸方2023/8/8計算機圖形學演示稿8

由于三點可以構(gòu)成一個平面，和三點可以構(gòu)成兩個矢量，由兩矢量的叉積可以求出平面的法線。對于凸多面體，任取構(gòu)成平面多邊形的三個相鄰點P0(x0,y0,z0),P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2)，按右手規(guī)則確定點的順序，此時有：

為了決定一個凸多面體的不可見面，對于每一個面按上述公式進行計算，當C≥0時為不可見面。對于單個凸多面體，該方法可判別出所有隱藏面，因為每個面或是完全可見，或是完全不可見。對于其它形體，如凹多面體或由多個物體組成的復雜形體，則還需進行更多的測試來檢查是否存在被其它面或其它物體完全或部分遮擋的表面。通常，凸多面體消隱處理可消除一半左右的隱藏面。2023/8/2計算機圖形學演示稿8由于三點可以2023/8/8計算機圖形學演示稿9由來：畫家的作畫順序暗示出所畫物體之間的相互遮擋關系算法基本思想：1）先把屏幕置成背景色2）先將場景中的物體按其距觀察點的遠近進行排序，結(jié)果放在一張線性表中；（線性表構(gòu)造：距觀察點遠的優(yōu)先級低，放在表頭；距觀察點近的優(yōu)先級高，放在表尾。該表稱為深度優(yōu)先級表）3）然后按照從遠到近（從表頭到表尾）的順序逐個繪制物體。關鍵：如何對場景中的物體按深度（遠近）排序，建立深度優(yōu)先級表？7.1.2畫家算法2023/8/2計算機圖形學演示稿9由來：畫家的作畫順序2023/8/8計算機圖形學演示稿10

深度優(yōu)先級表的建立是動態(tài)進行的。假定觀察方向同Z軸同向，則最初可按各面的最小z值排序。但這一初步排序可能出現(xiàn)差錯，如圖4所示的情況。圖中盡管面S1的最小z值小于面S2的最小z值，但正確的順序是面S2位于面S1前。因此在實際將z值最大的面S寫入幀緩沖器之前，需與其它面比較以確定是否在Z方向存在重疊。若無重疊，則對S進行寫入，若存在重疊，則需作一些比較以決定是否有必要重新排序。如果存在兩面相交和循環(huán)遮擋，如圖5中所示的情況，這時簡單的排序是無法解決問題的，必須求交分割后再進行排序。圖4圖52023/8/2計算機圖形學演示稿10深2023/8/8計算機圖形學演示稿11

下面給出這種算法過程的簡單描述

(1）計算各面最小z值zmin，并以此值的優(yōu)先級進行排序，建立初步的深度優(yōu)先表；

(2）表空結(jié)束。否則取表中深度最大的面Sn,檢查表中其它各面Sk(k=0,1,...,n-1)與Sn是否在Z方向存在重疊的關系。存在，記重疊面為Sj轉(zhuǎn)(3)。否則，將Sn寫入幀緩沖器，n=n-1轉(zhuǎn)(2)；

(3)檢查Sn是否遮擋Sj，不遮擋則將Sn寫入幀緩存器，n=n-1轉(zhuǎn)(2)。否則，交換Sn和Sj在表中位置，轉(zhuǎn)(2)。如果Sn和Sj已經(jīng)交換過位置，則兩面交叉遮擋，轉(zhuǎn)(4)；

(4)用Sn和Sj的交線分割Sn為兩部分，轉(zhuǎn)(1)。

畫家算法的優(yōu)點是簡單，容易實現(xiàn)，缺點是算法中的深度排序計算量大。2023/8/2計算機圖形學演示稿11下面給出這種算法2023/8/8計算機圖形學演示稿122023/8/2計算機圖形學演示稿122023/8/8計算機圖形學演示稿137.2簡單光照模型

-計算某一點光強度的模型當光照射到一個不透明的物體表面時，部分被反射，部分被吸收并轉(zhuǎn)化為熱。對一個透明的表面，部分入射光被反射，而另一部分被透射。其中，反射或透射部分的光使物體可見。如果入射光全部被吸收，物體將不可見，該物體稱為黑體。一物體表面呈現(xiàn)的顏色是由物體表面向視線方向輻射的光能中各種波長的分布所決定的。光能中被吸收、反射或透射的數(shù)量決定于光的波長和物體的表面特性。由于光照射到物體表面產(chǎn)生的現(xiàn)象是很復雜的，它與光源的性質(zhì)、形狀、數(shù)量、位置有關，還與物體的幾何形狀、光學性質(zhì)、表面紋理等許多因素有關，甚至與人眼對光的生理與心理視覺因素有關，我們不可能把這一切都準確計算出來。我們將討論計算光強度的一些較為簡單的方法，這些經(jīng)驗模型為計算物體表面某點處的光強度提供了簡單有效的途徑，并能在許多應用場合獲得較好的效果。2023/8/2計算機圖形學演示稿137.2簡單光照2023/8/8計算機圖形學演示稿14模擬物體表面的光照明物理現(xiàn)象的數(shù)學模型－光照明模型簡單光照明模型亦稱局部光照明模型，其假定物體是不透明的，只考慮光源的直接照射，而將光在物體之間的傳播效果籠統(tǒng)地模擬為環(huán)境光?？梢蕴幚砦矬w之間光照的相互作用的模型稱為整體光照明模型簡單光照明模型2023/8/2計算機圖形學演示稿14模擬物體表面的光照2023/8/8計算機圖形學演示稿157.2.1簡單光照明模型-環(huán)境光

假定物體是不透明的（即無透射光）環(huán)境光：在空間中近似均勻分布，即在任何位置、任何方向上強度一樣,記為Ia環(huán)境光反射系數(shù)Ka：在分布均勻的環(huán)境光照射下，不同物體表面所呈現(xiàn)的亮度未必相同，因為它們的環(huán)境光反射系數(shù)不同。光照明方程（僅含環(huán)境光）：Ie=KaIa Ie為物體表面所呈現(xiàn)的亮度。2023/8/2計算機圖形學演示稿157.2.1簡單光照2023/8/8計算機圖形學演示稿16具有不同環(huán)境光反射系數(shù)的兩個球2023/8/2計算機圖形學演示稿16具有不同環(huán)境光反射2023/8/8計算機圖形學演示稿17簡單光照明模型-環(huán)境光缺點：雖然不同的物體具有不同的亮度，但是同一物體的表面的亮度是一個恒定的值，沒有明暗的自然過度。2023/8/2計算機圖形學演示稿17簡單光照明模型-環(huán)2023/8/8計算機圖形學演示稿18簡單光照明模型考慮引入點光源。點光源：幾何形狀為一個點，位于空間中的某個位置，向周圍所有的方向上輻射等強度的光。記其亮度為Ip點光源的照射：在物體的不同部分其亮度也不同，亮度的大小依賴于物體的朝向及它與點光源之間的距離.2023/8/2計算機圖形學演示稿18簡單光照明模型考慮2023/8/8計算機圖形學演示稿197.2.2簡單光照明模型：-漫反射角度余弦的推導漫反射粗糙、無光澤物體（如粉筆）表面對光的反射光照明方程漫反射的亮度點光源的亮度漫反射系數(shù)入射角漫反射光的強度只與入射角有關2023/8/2計算機圖形學演示稿197.2.2簡單光照2023/8/8計算機圖形學演示稿20將環(huán)境光與漫反射結(jié)合起來例子2023/8/2計算機圖形學演示稿20將環(huán)境光與漫反射結(jié)2023/8/8計算機圖形學演示稿21缺點：對于許多物體，使用上式計算其反射光是可行的，但對于大多數(shù)的物體，如擦亮的金屬、光滑的塑料等是不適用的，原因是這些物體還會產(chǎn)生鏡面發(fā)射。2023/8/2計算機圖形學演示稿21缺點：對于許多物體2023/8/8計算機圖形學演示稿228.2.3簡單光照明模型-鏡面反射鏡面反射光滑物體（如金屬或塑料）表面對光的反射高光入射光在光滑物體表面形成的特別亮的區(qū)域2023/8/2計算機圖形學演示稿228.2.3簡單光照2023/8/8計算機圖形學演示稿23理想鏡面反射觀察者只能在反射方向上才能看到反射光，偏離了該方向則看不到任何光。2023/8/2計算機圖形學演示稿23理想鏡面反射2023/8/8計算機圖形學演示稿24非理想鏡面反射P為物體表面上一點，L為從P指向光源的單位矢量，N為單位法矢量，R為反射單位矢量，V為從P指向視點的單位矢量

鏡面光滑平面I=IpKscosna2023/8/2計算機圖形學演示稿24非理想鏡面反射鏡面2023/8/8計算機圖形學演示稿25鏡面反射Is為鏡面反射光強。Ip點光源的亮度Ks是與物體有關的鏡面反射系數(shù)。n為鏡面反射指數(shù)，n越大，則Is隨a的增大衰減的越快。

n的取值與表面粗糙程度有關。n越大，表面越平滑（散射現(xiàn)象少，稍一偏離，明暗亮度急劇下降）n越小，表面越毛糙（散射現(xiàn)象嚴重）或2023/8/2計算機圖形學演示稿25鏡面反射或2023/8/8計算機圖形學演示稿26簡單光照明模型-Phong光照明模型簡單光照明模型模擬物體表面對光的反射作用,光源為點光源反射作用分為物體間作用環(huán)境光(AmbientLight)漫反射(DiffuseReflection)鏡面反射(SpecularReflection)2023/8/2計算機圖形學演示稿26簡單光照明模型-P2023/8/8計算機圖形學演示稿27簡單光照明模型-Phong光照明模型Phong光照明模型的綜合表述：由物體表面上一點P反射到視點的光強I為環(huán)境光的反射光強Ie、理想漫反射光強Id、和鏡面反射光Is的總和。2023/8/2計算機圖形學演示稿27簡單光照明模型-P2023/8/8計算機圖形學演示稿28

另外，反射光強度還和物體與點光源的距離d的平方成反比，即物體離光源愈遠，顯的愈暗。因此，若要得到真實感的光照效果，在光照明模型中必須考慮這一因素。然而，若采用因子1/d2來進行光強度衰減，簡單的點光源照明并不總能產(chǎn)生真實感的圖形。當d很小時，1/d2會產(chǎn)生過大的強度變化，而d很大時反射光強度項將無意義。另外，人對物體的視覺也同視點與物體的距離有關，因此綜合考慮，可以用以下修正公式，它是根據(jù)經(jīng)驗，取同距離的關系為線性衰減。

I﹦kaIa﹢Ip(kd(N·L)﹢ks(R·V)n)/(d+K)常數(shù)項K為一調(diào)整常數(shù),它的存在可以防止當d很小時1/d值太大。2023/8/2計算機圖形學演示稿28另外，反2023/8/8計算機圖形學演示稿29對物體表面上的每個點P，均需計算光線的反射方向。為了減少計算量，假設：光源在無窮遠處，L為常向量視點在無窮遠處，V為常向量（H?N）近似（R?V），H為L與V的平分向量LRaVbH----L和V的角平分線NH對所有的點總共只需計算一次H的值，節(jié)省了計算時間2023/8/2計算機圖形學演示稿29對物體表面上的每個2023/8/8計算機圖形學演示稿30Phong模型幾何I﹦kaIa﹢Ip(kd(N·L)﹢ks(N·H)n)/(d+K)2023/8/2計算機圖形學演示稿30Phong模型幾何2023/8/8計算機圖形學演示稿317.2.4多點光源和顏色若存在多個點光源，則物體表面上的反射光強度是各個點光源照射效果的線性相加，這時光照模型為：

I﹦kaIa﹢(kd(N·Li)﹢ks(N·Hi)n)其中，m為點光源的數(shù)目。2023/8/2計算機圖形學演示稿317.2.4多點光2023/8/8計算機圖形學演示稿32例子：其中a圖：線框圖b圖：環(huán)境光c圖：增加漫反射d圖：增加鏡面反射e圖：增加光的衰減f圖：兩個點光源2023/8/2計算機圖形學演示稿32例子：其中a圖：線2023/8/8計算機圖形學演示稿33產(chǎn)生彩色選擇合適的顏色模型----RGB模型為顏色模型中的每一種基色建立光照明方程2023/8/2計算機圖形學演示稿33產(chǎn)生彩色2023/8/8計算機圖形學演示稿34光滑著色分類：均勻著色與光滑著色均勻著色方法：任取多邊形上一點，利用光照明方程計算出它的顏色，用這個顏色填充整個多邊形適用場合：1）光源在無窮遠處；

2）視點在無窮遠處；

3）多邊形是物體表面的精確表示；2023/8/2計算機圖形學演示稿34光滑著色分類：均勻2023/8/8計算機圖形學演示稿35缺點：產(chǎn)生的圖形效果不好。如左圖：相鄰兩個多邊形的法向不同，計算出來的顏色也不同，因此造成整個物體表面的顏色過渡不光滑。如何解決？光滑著色，亦稱插值著色

Gouraud著色方法

Phong著色方法2023/8/2計算機圖形學演示稿35缺點：產(chǎn)生的圖形效2023/8/8計算機圖形學演示稿36Gouraud著色方法Gouraud于1971年提出，又被稱Gouraud明暗處理基本思想：在每個多邊形頂點處計算顏色，然后在各個多邊形內(nèi)部進行線性插值，得到多邊形內(nèi)部各點顏色。即它是一種顏色插值著色方法。注意：Gouraud著色方法并不是孤立的處理單個多邊形，而是將構(gòu)成一個物體表面的所有多邊形（多邊形網(wǎng)格）作為一個整體來處理。2023/8/2計算機圖形學演示稿36Gouraud著色2023/8/8計算機圖形學演示稿37Gourand著色方法對多邊形網(wǎng)格中的每一個多邊形，Gourand著色處理分為如下四個步驟：步驟

1、計算多邊形的單位法矢量

2、計算多邊形頂點的單位法矢量

2023/8/2計算機圖形學演示稿37Gourand著2023/8/8計算機圖形學演示稿38Gourand著色方法 3、利用光照明方程計算頂點光強（顏色）

4、對多邊形頂點光強（顏色）進行雙線性插值，獲得多邊形內(nèi)部各點的光強（顏色）2023/8/2計算機圖形學演示稿38Gourand著2023/8/8計算機圖形學演示稿39Gourand著色方法-光強插值雙線性光強插值：假設待繪制的三角形投影為P1P2P3,Pi的坐標為(xi,yi),i=1,2,3；一條掃描線與三角形的兩條邊分別交于A(xA,yA),B(xB,yB)兩點。P(x,y)是AB上的一點。A點的顏色IA由P1、P2點的顏色I1、I2線性插值得到2023/8/2計算機圖形學演示稿39Gourand著2023/8/8計算機圖形學演示稿40Gourand著色方法優(yōu)點：能有效的顯示漫反射曲面，計算量小缺點：1、高光有時會異常2、當對曲面采用不同的多邊形進行分割時會產(chǎn)生不同的效果。3、Gouraud明暗處理會造成表面上出現(xiàn)過亮或過