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1、真实感图形绘制第1页，共98页，编辑于2022年，星期一第8章 真实感图形绘制简单光照明模型多边形着色透明与阴影纹理与纹理映射整体光照模型和光线跟踪实时真实感图形学技术第2页，共98页，编辑于2022年，星期一真实感图形绘制真实感图形是综合利用数学、物理学、计算机科学以及其它科学技术在计算机图形设备上生成的、像彩色照片那样逼真的图形。光照明模型的定义在已知物体物理形态和光源性质的条件下，能够计算出场景的光照明效果的数学模型称为光照明模型。第3页，共98页，编辑于2022年，星期一简单光照明模型基本光学原理是什么？环境光漫反射光镜面反射光第4页，共98页，编辑于2022年，星期一简单光照明模型基
2、本光学原理光照到物体表面时，物体对光会发生反射(Reflection)、透射(Transmission)、吸收(Absorption)、衍射(Diffraction)、折射(Refraction)、和干涉(Interference)。点光源是最简单的光源，它的光线由光源向四周发散。这种光源模型是对场景中比物体小很多的光源合适的逼近。离场景足够远的光源，如太阳，通常用点光源模型来模拟。第5页，共98页，编辑于2022年，星期一简单光照明模型当光线照射到不透明物体表面时，部分被反射，部分被吸收。粗糙的物体表面往往将反射光向各个方向散射，这种光线散射的现象称为漫反射(DiffuseReflectio
3、n)。非常粗糙的材质表面产生的主要是漫反射，因此从各个视角观察到的光亮度的变化非常小。表面非常光滑的物体表面会产生强光反射，称为镜面反射(SpecularReflection)。第6页，共98页，编辑于2022年，星期一简单光照明模型简单光照明模型模拟物体表面对直接光照的反射作用，包括镜面反射和漫反射，而物体间的光反射作用没有充分考虑，仅仅用一个与周围物体、视点、光源位置都无关的环境光(AmbientLight)常量来近似表示。可以用如下等式表示：入射光=环境光+漫反射光+镜面反射光第7页，共98页，编辑于2022年，星期一简单光照明模型环境光环境光是指光源间接对物体的影响，在物体和环境之间多
4、次反射，最终达到平衡时一种光。在简单光照明模型中，我们用一个常数来模拟环境光，用式子表示为：其中：Ia为环境光的光强，Ka为物体对环境光的反射系数，与环境的明暗度有关。(8-1)第8页，共98页，编辑于2022年，星期一简单光照明模型漫反射光记入射光强为Ip，物体表面上点P 的法向为N，从点P指向光源的向量为L，两者间的夹角为，如图8-1所示。由Lambert余弦定律，则漫反射光强为：(8-2)P光源LN图8-1 P点处的单位法向量N和P到点光源的单位向量L之间的夹角第9页，共98页，编辑于2022年，星期一简单光照明模型将环境光和朗伯漫反射的光强合并得到如下一个比较完整的漫反射表达式：(8-
5、5)镜面反射光在正常情况下，光沿着直线传播，当遇到不同的介质表面时，会产生反射和折射现象，光在反射和折射时，遵循反射定律和折射定律。反射定律入射光线、反射光线与光照点的法向量在同一平面上，而且光线的入射角等于反射角。第10页，共98页，编辑于2022年，星期一简单光照明模型折射定律入射光线、折射光线与光照点的法向量在同一平面上，如图8-2，折射角与入射角满足：(8-6)图8-2光的反射和折射光源L法向量N反射光线R视线V介质1介质2视点P第11页，共98页，编辑于2022年，星期一简单光照明模型Phong提出了一个计算镜面反射光亮度的经验模型，其计算公式为：(8-7)将V和R都格式化为单位向量
6、，则镜面反射光强可表示为：(8-8)其中，R可由计算。第12页，共98页，编辑于2022年，星期一简单光照明模型如图8-3，可以推出：,所以：。图8-3半角矢量H与矢量L和V的角平分线方向相同光源LNRV视点H第13页，共98页，编辑于2022年，星期一简单光照明模型Phong光照明模型由物体表面上一点P反射到视点的光强I为环境光的反射光强Ie、理想漫反射光强Id、和镜面反射光Is的总和，即(8-10)其中R，V，N为单位矢量；Ip为点光源发出的入射光强；Ia为环境光的漫反射光强；Ka环境光的漫反射系数；Kd漫反射系数（）取决于表面的材料；Ks镜面反射系数（）；n幂次，用以模拟反射光的空间分布
7、，表面越光滑，n越大。第14页，共98页，编辑于2022年，星期一简单光照明模型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，生成图像的真实度已经达到可以接受的程度。在实际的应用中，还具有以下的一些问题：物体象塑料，没有质感。环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光；镜面反射的颜色是光源的颜色，与物体的材料无关；镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真等。第15页，共98页，编辑于2022年，星期一多边形着色恒定光强的多边形绘制Gouraud明暗处理双线性法向插值（Phong明暗处理）第16页，共98页，编辑于2022年，星期一多边形着色多边形绘制常用的方法有两种将每个多
8、边形用恒定光强来绘制。沿扫描线计算每一像素的光强进行绘制。恒定光强的多边形绘制恒定光强的多边形绘制，又称恒定光强的明暗处理或Flat着色。这种方法主要适用于平面体真实感图形的处理。第17页，共98页，编辑于2022年，星期一多边形着色得到一个比较真实的场景，如果三维场景的光照条件满足以下要求：光源处于无穷远处，几乎所有的入射光线都是平行的。观察点距离物体表面足够远，视线矢量与反射光矢量的夹角为一恒定值，也即cos为一个恒定值。多边形是景物表面的精确的表示，而不是一个含有曲线面景物的近似表示。第18页，共98页，编辑于2022年，星期一多边形着色恒定光强的多边形绘制只用一种光强值绘制整个多边形。
9、除此之外，在不同法向的多边形邻接处，不仅有光强突变，而且还会产生马赫带效应。解决办法：增加多边形的个数。采用插值的方法。它包含两个主要的算法：双线性光强插值和双线性法向插值，又被分别称为Gouraud明暗处理和Phong明暗处理。第19页，共98页，编辑于2022年，星期一多边形着色Gouraud明暗处理Gouraud明暗处理的基本算法步骤如下：计算多边形顶点的平均法向；用Phong光照明模型计算顶点的平均光强；插值计算离散边上的各点光强；插值计算多边形内域中各点的光强。第20页，共98页，编辑于2022年，星期一多边形着色顶点法向计算假设顶点A相邻的多边形有k个，法向分别为N1，N2，Nk，
10、我们取顶点A的法向为：（8-12）顶点平均光强计算在求出顶点A的法向Na后，我们可以用Phong光照明模型计算在顶点处的光亮度。参见公式（8-10）。第21页，共98页，编辑于2022年，星期一多边形着色光强插值算法首先由顶点的光强插值计算各边的光强，然后由各边的光强插值计算出多边形内部点的光强，如图8-5所示。图8-5双线性光强插值示意图I1IbIaI2I4I3扫描线YXOIs第22页，共98页，编辑于2022年，星期一多边形着色双线性光强插值的公式如下：（8-13）Gouraud明暗处理的优点和缺点：优点是算法简单，计算量小，解决了两多边形之间明暗度不连续以及多边形片内光强单一的问题，把它
11、应用于简单的漫反射光照模型时效果最好。第23页，共98页，编辑于2022年，星期一多边形着色Gouraud明暗处理的缺点明暗插值法只能保证在多边形边界两侧光强的连续性，不能保证其变化的连续性。将相邻多边形的法矢量的平均值作为顶点处的法矢量，法矢量是平行的，如图8-6。图8-6 顶点的法矢量相互平行第24页，共98页，编辑于2022年，星期一多边形着色双线性法向插值（Phong明暗处理）保留双线性插值，对多边形边上的点和内域各点，采用增量法。对顶点的法向量进行插值，而顶点的法向量，用相邻的多边形的法向作平均。由插值得到的法向，计算每个象素的光亮度。假定光源与视点均在无穷远处，光强只是法向量的函数
12、。第25页，共98页，编辑于2022年，星期一多边形着色沿用图8-5的记号，把I换为N，就有如下的插值公式：（8-15）增量插值计算公式如下：（8-16）第26页，共98页，编辑于2022年，星期一多边形着色图8-7中上面的牛多边形网格模型用Phong简单光照模型绘制，下面的同一个模型用增量式光照明模型绘制。图8-7 牛的多边形网格模型第27页，共98页，编辑于2022年，星期一透明与阴影透明处理简单光照明模型只考虑了由光源引起的漫反射现象和镜面反射现象，而对于光的透射现象都没有处理，这显然不能满足真实感图形学的要求。透明效果模拟最常见的方法是颜色调和法，该方法不考虑透明体对光的折射以及透明物
13、体本身的厚度，光通过物体表面是不会改变方向的，故可以模拟平面玻璃。第28页，共98页，编辑于2022年，星期一透明与阴影隐藏面消除算法都可以用于实现模拟这种情况。具体的过程如图8-8所示。图8-8颜色调和模拟透明效果不透明体透明体IaIb(x,y)第29页，共98页，编辑于2022年，星期一透明与阴影如图8-8 所示，设过象素点(x，y)的视线与物体相交处的颜色(或光强)为I a，视线穿过物体与另一物体相交处的颜色(或光强)为I b,则象素点(x，y)的颜色(或光强)可由如下颜色调和公式计算(8-17)其中，Ia和Ib可由简单光照明模型计算第30页，共98页，编辑于2022年，星期一透明与阴影
14、阴影在真实感图形学中，通过阴影可以提供物体位置和方向信息，从而可以反映出物体之间的相互关系，增加图形图像的立体效果和真实感。图8-9为常见的一个例子。图8-9 阴影示意 第31页，共98页，编辑于2022年，星期一透明与阴影阴影的生成算法阴影多边形算法首先用传统的隐藏面消除技术，相对于光源，把物体上的多边形区分为阴影多边形、非阴影多边形和逆光多边形，这是区分多边形阶段；然后就是显示阶段，需要计算物体表面各个多边形的光强，对于非阴影多边形和逆光多边形，用某种方法来减少正常计算出来的光强值，使其有阴影的效果。第32页，共98页，编辑于2022年，星期一透明与阴影阴影域多面体算法-阴影域若光源照射到
15、的物体表面是不透明的，在该表面后面就会形成一个三维的多面体阴影区域，该区域被称为阴影域（ShadowVolume）。-阴影区域透视变换生成图像的过程中，屏幕视域空间是一个四棱椎，对物体的阴影域进行裁剪，就会变成封闭多面体，称其为阴影域多面体。第33页，共98页，编辑于2022年，星期一透明与阴影通过这种方法得到物体的阴影域多面体后，我们就可以利用它们来确定场景中的阴影区域，对于场景中的物体，只要与这些阴影域多面体进行三维布尔交运算，计算出的交集就可以被定为物体表面的阴影区域。其他方法整体光照明模型如光线跟踪算法和辐射度算法都可以很好的处理阴影的生成问题。在后面的章节详细的讨论这些模型，。第34
16、页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射纹理类型颜色纹理：是指光滑表面的花纹、图案，如刨光的木材表面的木纹，建筑物墙壁上的装饰图案，大理石表面等。它们是通过颜色色彩或明暗度变化体现出来的表面细节。几何纹理：是粗糙的表面，如桔子皮表面的褶皱表皮、篮球表面等，它们是由不规则的细小凹凸造成的，是基于物体表面的微观几何形状的表面纹理。第35页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射纹理映射(TextureMapping)：是把指定的纹理映射到三维物体表面的技术。图8-10是纹理映射场景的一个部分，其中墙的砖块纹理和地板的木条纹理都是二维图像。图8-10 纹理映射场景 第36页，共
17、98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射纹理映射需要考虑以下三个问题：当物体上的什么属性被改变时可以产生纹理的效果。简单光照模型的式子如下：在该模型中，可以通过改变漫反射系数或者物体表面的法向量来改变物体的颜色，由此得到纹理的效果。第37页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射在真实感图形学中，我们可以用如下的两种方法来定义纹理：图像纹理：将二维纹理图案映射到三维物体表面，绘制物体表面上一点时，采用相应的纹理图案中相应点的颜色值。函数纹理：用数学函数定义简单的二维纹理图案，如方格地毯。或用数学函数定义随机高度场，生成表面粗糙纹理即几何纹理。第38页，共98页，编辑于2022年
18、，星期一纹理与纹理映射在定义了纹理以后，我们还要处理如何对纹理进行映射的问题。对于二维图像纹理，就是如何建立纹理与三维物体之间的对应关系；对于几何纹理，就是如何扰动法向量。第39页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射常见纹理映射技术颜色纹理映射技术首先给出期望在物体表面出现的花纹图案样式，可以用纹理函数来表示。其次，建立物体表面的定义域与纹理函数的定义域之间的映射关系(即映射函数)。最后，通过前面定义可以获得该可见点处代表花纹图案属性的相应纹理函数值，适当地使用该纹理函数值就可以便最终绘制出来的物体表面具有花纹图案的效果。第40页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射
19、二维纹理映射二维纹理的函数表示：(8-18)它的纹理图像模拟国际象棋上黑白相间的方格，如图8-11所示。图8-11二维纹理示意第41页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射两个经常使用的映射方法是圆柱面映射和球面映射。对于圆柱面纹理映射，由圆柱面的参数方程定义，可以得到纹理映射函数。如果参数方程如下所示：(8-19)那么，对给定圆柱面上一点(x，y，z)，可以用下式反求参数：(8-20)第42页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射对于球面纹理映射，由球面参数方程：(8-21)对给定球面上一点(x，y，z),可以用下式反求参数：(8-22)第43页，共98页，编辑于20
20、22年，星期一纹理与纹理映射图案映射图8-12(a)所示图案为相交直线组成的二维网格，图8-12(b)为位于卦限之内的球面片，将该图案映射到球面片上，试求解其映射函数和逆映射函数。图812映射wuyzxyzx=0011（a)（b)（c)第44页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射解解：球面片的参数表示为其中取线性映射函数并假定四边形图案的四角点映射到四边形球面片的四角上，于是有映射到,上u=1,w=0映射到,上u=0,w=1映射到,上u=0,w=0 第45页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射u=1,w=1映射到,上将它们代入映射函数可解得：由uv空间到空间的线性映
21、射函数为：由空间至uv空间的逆映射为：将uv空间中的一条直线映射到空间，然后代入球面片的参数方程换算到xyz坐标系，运算结果如表81所示，映射的完整结果见图812（c）。第46页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射 表表81 映射的完整结果映射的完整结果显示在表面上的花纹图案除了考虑由纹理空间到物体(对象)空间的坐标变换外，还涉及到由物体空间到图象空间的映射，此外还需进行适当的视图变换。参数参数uwxyz值值1/40/8/81/40.3800.921/47/167/160.380.200.911/23/8/80.350.380.853/45/16/160.320.560.771/
22、4/40.270.710.65第47页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射三维纹理域的映射基本思想：在三维物体空间中，物体中每一个点(x，y，z)均有一个纹理值t(x，y，z)，其值由纹理函数t(x，y，z)唯一确定，那么对于物体上的空间点，就可以映射到一个纹理空间上了，而且是三维的纹理函数，这是三维纹理提出来的基本思想。第48页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射以木纹的纹理函数为例，来说明三维纹理函数的映射，它通过空间坐标(x，y，z)来计算纹理坐标(u，v，w)：先求木材表面上的点到中心的半径，对半径进行小的扰动，有R=R+2sin（20）；然后对z轴进行小弯
23、曲处理，R=R+2sin(20+w/150)；最后根据半径R用下面的伪码来计算color值作为木材表面上点的颜色，就可以得到较真实的木纹纹理：第49页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射grain=RMOD60;/*每隔60一个木纹*/if(grain40)color=淡色;elsecolor=深色;第50页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射几何纹理几何纹理的方法，也称凹凸映射（BumpMapping），主要用于模拟有细微凹凸不平表面的景物，如自然界中植物的表面。定义一个纹理函数F(u,v)，对理想光滑表面P(u,v)作不规则的位移，具体是在物体表面上的每一个点P
24、(u,v)，都沿该点处的法向量方向位移F(u,v)个单位长度，这样新的表面位置变为：(8-23)第51页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射新表面的法向量可通过对两个偏导数求叉积得到由于F的值相对于上式中其他的量很小，有(8-24)第52页，共98页，编辑于2022年，星期一纹理与纹理映射几何纹理缺点：扰动函数不易选取；景物的不规则性被局限于给定物体的表面，而不能反映物体的整体构造。图8-13是纹理映射的一些例子。图8-13 纹理映射的例子第53页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪整体光照模型为了精确模拟光照效果，应考虑四种情况：镜面反射到镜面反射镜面反射
25、到漫反射漫反射到镜面反射漫反射到漫反射对于透射，也可分为漫透射与规则透射(镜面透射)。第54页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪为了使问题简化，可分两步进行首先，只考虑光线在物体表面的镜面反射和规则透射，这样得到的图像可表现出在光亮平滑的物体表面上呈现出其他物体的映像，以及通过透明物体看到其后的环境映像；其次，考虑光照从漫反射到漫反射，这样得到的画面较为柔和，并能模拟彩色渗透现象。第55页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪为了加深对整体光照模型的理解，考虑图8-14中所示情况。假定球、三角块和立方体均不透明，且其表面具有高度的镜面反射能力。O屏幕
26、光源观察者52134P1P21图8-14 整体光照模型 第56页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪Whitted光照模型1980年Whitted提出了一个光透射模型：Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现了Whitted模型。如图8-15所示。2 211LNSV12视点图8-15 Whitted光透射模型的几何量第57页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪在简单光照明模型的基础上，加上透射光一项，就得到Whitted光透射模型：(8-25)如果该透明体又是一个镜面反射体，应再加上反射光一项，以模拟镜面反射效果。于是得到Whitte
27、d整体光照模型：(8-26)第58页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪用Whitted模型计算光照效果，剩下的关键问题就是计算反射与折射方向。已知视线方向V，求反射方向S与折射方向T；然后可以求出反射与折射方向上与另一物体的交点。给定视线方向V与法向方向N，视线方向V的反射方向S可以由下式计算第59页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪求V的折射方向T首先我们令V，N，T均为单位向量，是视点所在空间的介质折射率，为物体的折射率。根据折射定律，入射角和折射角有如下的关系：,而且V，N，T共面。Whitted的折射方向计算公式：(8-27)其中，,计算
28、所得的T为非单位向量。第60页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪Heckbert给出了一个更为简单的计算公式：(8-28)其中，计算所得的T为单位向量。第61页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪光线跟踪的基本原理最基本的光线跟踪算法是跟踪镜面反射和折射。从光源发出的光遇到物体的表面，发生反射和折射，光就改变方向，沿着反射方向和折射方向继续前进，直到遇到新的物体。实际光线跟踪算法的跟踪方向与光传播的方向是相反的，而是视线跟踪。第62页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪由视点与象素(x，y)发出一根射线，与第一个物体相交后，在
29、其反射与折射方向上进行跟踪，如图8-16所示。V(x，y)BA图8-16 基本光线跟踪光路示意图第63页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪四种光线：视线是由视点与象素(x，y)发出的射线阴影测试线是物体表面上点与光源的连线反射光线折射光线当光线V与物体表面交与点P时，光在点P对光线V方向的贡献分为三部分，把这三部分光强相加，就是该条光线V在P点处的总的光强：第64页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪由光源产生的直接的光线照射光强，是交点处的局部光强，可以由下式计算：(8-29)反射方向上由其它物体引起的间接光照光强，由IsKs计算，Is通过对反射
30、光线的递归跟踪得到；折射方向上由其它物体引起的间接光照光强，由ItKt计算，It通过对折射光线的递归跟踪得到。第65页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪介绍光线跟踪算法的基本过程。对一个由两个透明球和一个非透明物体组成的场景进行光线跟踪（图8-17），解释光线跟踪的基本过程。图8-17光线跟踪算法的基本过程P2S4E光源L像素点视点视屏ES1S3P1P3P4P5R1R2R3R4R5T1T2T4T5O1O2O3第66页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪有一个点光源L，两个透明的球体O1与O2，一个不透明的物体O3。首先，从视点出发经过视屏一个象素点
31、的视线E传播到达球体O1，与其的交点为P1。还要跟踪该点处反射光线R1和折射光线T1，它们也对P1点的光强有贡献。然后对折射光线T1方向进行跟踪，来计算该光线的光强贡献。第67页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪在实际的算法进行过程中，不可能进行无穷的光线跟踪，需要给出一些跟踪的终止条件:该光线未碰到任何物体。该光线碰到了背景。光线在经过许多次反射和折射以后，就会产生衰减，光线对于视点的光强贡献很小（小于某个设定值）。光线反射或折射次数即跟踪深度大于一定值。第68页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪用伪码的形式给出光线跟踪算法源代码如下：RayT
32、racing(start,direction,weight,color)if(weightMinWeight)color=black；else计算光线与所有物体的交点中离start最近的点；if(没有交点)color=black；elselocal=在交点处用局部光照模型计算出的光强；计算反射方向R；RayTracing（最近的交点,R,weight*Wr,Ir）；计算折射方向T；RayTracing（最近的交点,T,weight*Wt,It）；color=Local+KsIr+KtIt;第69页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪光线跟踪技术的优点：可模拟自然界中光线的
33、传播，可实现场景中交相辉映的景物、阴影、透明等高度真实感图像的显示。光线跟踪技术的缺点：需要用到大量的求交运算第70页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪光线与物体的求交光线与球的求交代数解法参数方程来表示由点（x0，y0，z0）发出的光线，这里，(8-30)用隐式方程 表示球心为（xc，yc，zc）,半径为R的球面。第71页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪将参数方程式代入隐式方程，得于是有：如果，则光线与球无交；如果，则光线与球相切；如果，则光线与球有两个交点。第72页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪几何解法用几何方法
34、可以加速光线与球的求交运算，如图8-18所示。R0R1ScSrLoctcathcDR(T)图8-18 几何法进行光线与球的求交第73页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪首先要计算光线起点到球心的距离平方，为：，若，则光线的起点在球内，光线与球有且仅有一个交点；若，则光线的起点在球外，光线与球有两个交点或一个切点或没有交点。求光线起点到光线离球心最近点A的距离为：，第74页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪计算半弦长的平方，来判定交点的个数。半弦长的平方为：若，则光线与球无交；若，则光线与球相切；若，则光线与球有两个交点。第75页，共98页，编辑于
35、2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪计算光线起点到光线与球交点的距离为：将t代入直线的参数方程，得交点的坐标为：，而且交点处的球面法向为。第76页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪光线与多边形求交先计算多边形所在的平面与光线的交点，再判断交点是否在多边形内部。第77页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪光线与二次曲面求交二次曲面方程的一般形式可以表示为：（8-31）或者写成矩阵形式就是：。把光线的参数表达式(8-30)代入上式，整理得：。第78页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪其中：解出t，得：。交点处的法向量为函数F
36、(x，y，z)关于x，y，z的偏导，即（8-32）第79页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪光线跟踪算法的加速自适应深度控制对复杂的场景，没有必要跟踪光线到很深的深度，应根据光线所穿过的区域的性质来改变跟踪深度，来自适应的控制深度。包围盒及层次结构基本思想：用一些形状简单的包围盒(如球面、长方体等)将复杂景物包围起来，求交的光线首先跟包围盒进行求交测试，若相交，则光线再与景物求交，否则光线与景物必无交。第80页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪基本原理：根据景物的分布情况，将相距较近的景物组成一组局部场景，相邻各组又组成更大的组，这样，将整个景物
37、空间组织成树状的层次结构。三维DDA算法空间剖分技术：将景物空间剖分为网格，由于空间的连惯性，被跟踪的光线从起始点出发，可依次穿越它所经过的空间网格，直至第一个交点。这种方法称为空间剖分技术。第81页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪1986年，Fujimoto等提出一个基于空间均匀网格剖分技术的快速光线跟踪算法，将景物空间均匀分割成为一系列均匀的三维网格，建立辅助数据结构SEADS(SpatiallyEnumeratedAuxiliaryDataStructure)。Fujimoto等将直线光栅化的DDA算法推广到三维，称为光线的三维网格跨越算法，以加速光线跟踪。设光
38、线的方向向量为，求出被跟踪光线的主轴方向d：第82页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪空间八叉树剖分技术八叉树的最大深度表示空间分割所达到的层次，称为空间分辨率，而八叉树的终结节点对应分割后的空间网格单元。设八叉树的深度为N，任一个八叉树终结节点的编码为其中，F为异于0，17的符号。第83页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪设P(x，y，z)为一空间点，x，y，z取整数，其相应的二进制表示为：（8-33）其中：则P所在单位立方体网格编码为第84页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪若已知P位于一编码为的空间网格内（包括位于网
39、格边界面上），则该空间网格的前左下角坐标为：(8-34)第85页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪如何进行光线跟踪？设光线起始点为P0，方向为R，先求P0所在单位立方体网格的八叉树编码Q。先对P0各坐标分量取整得到单位立方体网格的前左下角坐标P，然后即可用式（8-33）计算编码Q。若计算出的P点位于世界立方体的边界上，则需根据光线前进方向判别光线是否已射出场景。第86页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪若光线已射出场景，则算法结束。否则，在空间线性八叉树结点表中查找Q。查找的结果用两个量表示表明查找是否成功的布尔量T，未获匹配位数B。设Q为，那么
40、当八叉树中含结点，时，T取真值。若该结点编码为，则B为N-i。第87页，共98页，编辑于2022年，星期一整体光照模型和光线跟踪若查找结果为T取真值，则用光线和该立方体中所含三角形面片求交。若有交，则返回最近交点，算法结束。否则重新置T为假。若T为假则应跨过当前立方体继续向前搜索。若将光线在各坐标平面上投影线的截距和斜率事先计算好，则可通过判别光线的射出方向快速求得出口点。计算出光线的出口点坐标后，将它作为新的出发点P0重复上述计算过程，直至光线射出场景或求到交点为止。第88页，共98页，编辑于2022年，星期一实时真实感图形学技术 实时真实感图形学技术是在当前图形算法和硬件条件的限制下提出的
41、在一定的时间内完成真实感图形图像绘制的技术。达到实时绘制真实感图像的目的，主要是通过降低显示三维场景模型的复杂度来实现，这种技术被称为层次细节（LOD：LevelofDetail）显示和简化技术，是当前大多数商业实时真实感图形生成系统中所采用的技术。第89页，共98页，编辑于2022年，星期一实时真实感图形学技术层次细节显示和简化层次细节显示简化技术就是在不影响画面视觉效果的条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。假设场景的模型都是三角形网格（在实际应用中，三维场景最后一般都被转化为三角形网格），从网格的几何及拓扑特性出发，存在着三种不同基本化简操作第
42、90页，共98页，编辑于2022年，星期一实时真实感图形学技术顶点删除操作，即删除网格中的一个顶点，然后对它的相邻三角形形成的空洞作三角剖分，以保持网格的拓扑一致性；边压缩操作，即把网格上的一条边压缩为一个顶点，与该边相邻的两个三角形的退化（面积为零），而它的两个顶点融合为一个新的顶点；面片收缩操作，即把网格上的一个面片收缩为一个顶点，该三角形本身和与其相邻的三个三角形都退化，而它的三个顶点收缩为一个新的顶点。第91页，共98页，编辑于2022年，星期一实时真实感图形学技术这些操作如图8-19所示。图8-19层次细节模型简化的基本操作被删除点顶点删除三角剖分被删除边新顶点边压缩(c)面片收缩操
43、作(b)边压缩操作(a)顶点删除操作第92页，共98页，编辑于2022年，星期一实时真实感图形学技术层次细节显示和简化技术可以较好的简化场景的复杂度，产生真实感图像，如图8-20所示：图8-20牛的层次细节简化模型第93页，共98页，编辑于2022年，星期一实时真实感图形学技术基于图像的绘制技术从一些预先生成好的真实感图像出发，通过一定的插值、混合、变形等操作，生成不同视点处的真实感图像。绘制真实感图像的时间仅与图像的分辨率有关。采用基于图像的绘制技术最重要的一点是，这种方法对计算机的要求不高，可以方便的在普通的计算机上实时的生成真实感图像，对真实感图形学的应用有很大的促进作用。第94页，共9
44、8页，编辑于2022年，星期一实时真实感图形学技术基于图像的绘制技术视图插值(ViewInterpolation)方法视图插值方法在相邻的采样点图像之间建立光滑自然的过渡，可以真实的再现各采样点之间场景透视变换的变化。视图插值技术利用了相邻两图像之间的连贯性利用两个画面的摄像机参数及图像中像素点的深度值通过视觉基本原理来建立相邻采样点真实感图像之间象素的对应关系第95页，共98页，编辑于2022年，星期一实时真实感图形学技术同一个物体点P在A、B两幅相邻视图中的像素对应关系。如图8-21所示：图8-21视图插值的像素对应关系示意PABmnEAEB第96页，共98页，编辑于2022年，星期一实时真实感图形学技术视图插值技术是一种反映了实际场景透视变换变化的特殊的图像变形（Morphing）过程。首先要得到采样真实感图像各象素点的深度值，这可以由深度摄像机的相关摄像机参数直接获取或者计算机视觉理论来恢复图像深度信息。然后用这种关系，构造对应像素的偏移向量，再用偏移向量的插值近似模拟透视变换的变化，得到中间图像象素的颜色，生成中间的真实感图像。第97页，共98页，编辑于2022年，星期一End谢谢！第98页，共98页，编辑于2022年，星期一