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1、真实感图形显示第1页，共36页，编辑于2022年，星期一图形生成对象的消隐算法图形生成对象的消隐算法 （1 1）以棱线为主体的方法；）以棱线为主体的方法；（2 2）以表面为主体的方法。也就是说在消隐算法中有隐）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。藏线消除与隐藏面消除之分。第2页，共36页，编辑于2022年，星期一6.2 6.2 消除隐藏线消除隐藏线 （1 1）表面朝向：表面朝向：第3页，共36页，编辑于2022年，星期一（2 2）表面模型表面模型 凸多面体面表中的每一个面可以任取三个顶点（不共凸多面体面表中的每一个面可以任取三个顶点（不共线），线），来定义，根
2、据平面方程的计算公式，从而得到该来定义，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。三点所在的多边形表面的平面方程。第4页，共36页，编辑于2022年，星期一第5页，共36页，编辑于2022年，星期一 因此，若因此，若A0A0则表示则表示X X方向（方向（1,0,0,01,0,0,0）与多面体在平）与多面体在平面的同一侧，假定面的同一侧，假定X X轴指向观察者，于是可以知道，该三点轴指向观察者，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；所定义的面（即该三点所在的多边形表面）是朝后面的；反之，若反之，若A0Azt，则，则Pt是是可见的（假定视点位
3、于可见的（假定视点位于-z无穷远处）；无穷远处）；若若zpzt，则点，则点Pt被多边形遮蔽，因此是被多边形遮蔽，因此是不可见的。不可见的。第15页，共36页，编辑于2022年，星期一D D 优先度检验优先度检验 如果如果z0max小于小于z1min，如图，如图6-12 a）所示，则）所示，则f0的优先的优先度高于度高于f1的优先度的优先度。第16页，共36页，编辑于2022年，星期一6.3 6.3 消除隐藏面消除隐藏面 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，只要逐个对面隐藏面的消除，根据前面表面朝向判别，
4、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。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、一个曲面体诸曲面块之间的遮蔽关体之间的遮蔽关系、一个曲面体诸曲面块之间的遮蔽关系，还要考虑曲面块自身的遮蔽关系系，还要考虑曲面块自身的遮蔽关系。第17页，共36页，编辑于2022年，星期一假若物体的表面是曲面或曲面实体，这时我们可以假若物体的表面是曲面或曲面实体
5、，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处理方法进行处理。第18页，共36页，编辑于2022年，星期一6.3.1 6.3.1 隐藏面消隐算法隐藏面消隐算法 (1)Warnock算法算法 首先将初始的窗口（即平面）分割为四个子窗口，根首先将初始的窗口（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（如图种类型（如图6-14）：）：第19页，共36页，编辑于2022年，星期一(2)扫描线相关算法扫描线相关算法 相继地检查屏上的一系列窗口，每个
6、窗口高为一条扫描线，其宽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，即相当于取样区间，即相当于Warnock算法中屏幕内的正方形窗口。其数算法中屏幕内的正方形窗口。其数据按从左至右的顺序对交点进行排序，研究的是光栅扫描平面据按从左至右的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。上线段之间的遮挡关系。第20页，共36页，编辑于2022年，星期
7、一(3)深度列表排序算法深度列表排序算法 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。题。由于先处理的面的优由于先处理的面的优先级低于后处理的，因先级低于后处理的，因此，当面重叠时，则优此，当面重叠时，则优
8、先级高的面将覆盖优先先级高的面将覆盖优先级低的面。级低的面。第21页，共36页，编辑于2022年，星期一(4)深度缓冲器算法深度缓冲器算法 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（矩形区域（xminxxmax，yminyymax，其中，其中xmin，xmax，ymin，ymax均为整数），并设置两个数组，即亮
9、度数组均为整数），并设置两个数组，即亮度数组intensityx,y和深度数组和深度数组depthx,y，深度最大值（最远值）为，深度最大值（最远值）为zmax，每个数，每个数组的像素坐标组的像素坐标x,y为地址索引，为地址索引，z轴代表深度方向。假设要消隐轴代表深度方向。假设要消隐的物体由的物体由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定要是闭合的。第22页，共36页，编辑于2022年，星期一(4)深度缓冲器算法深度缓冲器算法(续续)：具体算法具体算法 A 数据初始化：对屏上的全部像素置数据初始化：对屏上的全部像素置depth
10、x,y：=zmax intensityx,y：=背景值背景值B 对对于于场场景景中中的的每每个个多多边边形形，找找出出多多边边形形被被投投影影到到屏屏上上时时，位位于于其其边边界界内内的的全全部部像像素素x,y，并并对对这这些些像像素素进进行行如如下下计计算算：利利用用平平面面方方程程求求出出多多边边形形在在x,y处处的的深深度度为为zx,y；若若zx,ydepthx,y，则则在在x,y处处已已记记录录的的多多边边形形比比这这个个新新的的多多边边形形更更靠靠近观察者，因此这时不需进行处理。近观察者，因此这时不需进行处理。依次处理完所有多边形，亮度数组依次处理完所有多边形，亮度数组intensi
11、tyx,y的内容向帧存储器输的内容向帧存储器输出即得到消隐后的立体图。出即得到消隐后的立体图。第23页，共36页，编辑于2022年，星期一(5)曲面子分算曲面子分算 曲面子分算法用类似于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这一像素所对应的曲 面上点的灰度或颜色面上点的灰度或颜色 强度，并进行显示，强度，并进行显示，见图见
12、图6-18。第24页，共36页，编辑于2022年，星期一6.4 6.4 色彩与纹理色彩与纹理 6.4.1 色彩色彩 第25页，共36页，编辑于2022年，星期一 为了标准化，为了标准化，19311931年国际照明委员会（年国际照明委员会（CIECIE）规定了三基色）规定了三基色的波长：红光波长为的波长：红光波长为700700纳米，绿光波长为纳米，绿光波长为546.1546.1纳米，蓝光纳米，蓝光波长为波长为435.8435.8纳米。并且规定，以光通量为纳米。并且规定，以光通量为1 1光瓦的红光作光瓦的红光作为红基色单位（为红基色单位（R R），以光通量为），以光通量为4.59074.5907光
13、瓦的绿光为绿光瓦的绿光为绿基色单位（基色单位（G G），以光通量为），以光通量为0.06010.0601光瓦的蓝光为蓝基色单位光瓦的蓝光为蓝基色单位（B B）。（）。（R R），（），（G G），（），（B B）称为三基色单位，简称为）称为三基色单位，简称为T T单单位。用位。用R R个（个（R R），），G G个（个（G G），），B B个（个（B B）的光合成的光可以用）的光合成的光可以用配色方程表示为：配色方程表示为：第26页，共36页，编辑于2022年，星期一 在在RGBRGB色彩立方体时，可以通过三维色彩立方体时，可以通过三维RGBRGB空间的一个点由红色、空间的一个点由红色、绿色和
14、蓝色部分的数据描述。在绿色和蓝色部分的数据描述。在HLSHLS双锥体时，在锥体基面上的双锥体时，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 明亮度范围感明亮度范围感 觉到比在中等觉到比在中等 明亮范围更小明亮范围更小 的色饱和度。的色饱和度。第27页，共36页，编辑于2022年，星期一6.4.2 6.4.2 纹理纹理 (1)几何纹理几何纹理 当曲面用参数方程当曲面用参数方程x=x（u，v），），y=y（u，v），），z=z（u，v）
15、表示时，利用）表示时，利用u-v平面上的平面几何纹理，就能在曲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。例球面块面上产生相应的几何纹理。例球面块:第28页，共36页，编辑于2022年，星期一 在在-平面上平面上和和均为常数所形成的方格就对应于球面上的均为常数所形成的方格就对应于球面上的方格（如图方格（如图6-23）。若规定）。若规定-平面上几何纹理的亮度或色平面上几何纹理的亮度或色彩在彩在0，1之间，即：之间，即：第29页，共36页，编辑于2022年，星期一(2)图像映射图像映射 把把u-v平面上的一副实际图像映射到曲面平面上的一副实际图像映射到曲面x=x（u,v）,y=（u,v）
16、,z（u,v）上去，最后在显示屏上显示出）上去，最后在显示屏上显示出来。来。(3)法线摄动法线摄动 在三维真实模型中，表面法线起着关键的作用。在三维真实模型中，表面法线起着关键的作用。Blinn提出了提出了一个形成表面粗糙纹理的方法，即对表面法线作微小的扰动，一个形成表面粗糙纹理的方法，即对表面法线作微小的扰动，从而达到形成表面粗糙纹理。从而达到形成表面粗糙纹理。(4)利用利用FRACTAL曲面曲面 分数维几何（分数维几何（Fractional Dimension）的简称。一根直）的简称。一根直线是一维的，但是使它弯曲、伸长，则它的维数就在增线是一维的，但是使它弯曲、伸长，则它的维数就在增加，
17、最后可以变成二维的面。加，最后可以变成二维的面。第30页，共36页，编辑于2022年，星期一6.5 6.5 光线跟踪和光照模型光线跟踪和光照模型 6.5.1 可见面光线跟踪算法可见面光线跟踪算法 基本思想基本思想：观察者能够看见物体是由于光源发出的照射到物体：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。来。第31页，共36页，编辑于2022年，星期一（1）典型光照模型）典型光照
18、模型 简单光照模型，是假定具有黯淡表面的物体排列在画简单光照模型，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：的位置和本身的形式无关，在每一点的强度：式中：式中：是表面材料的反射系数是表面材料的反射系数 ，是点光源是点光源的强度。的强度。第32页，共36页，编辑于2022年，星期一把一个点光源的方向纳入计算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、光源物体反射
19、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（如图强度以及光源和表面法矢的夹角（如图6-316-31），反射出来），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。其中漫反射强度亮度。其中漫反射强度：第33页，共36页，编辑于2022年，星期一镜面反射镜面反射：第34页，共36页，编辑于2022年，星期一（1）光照模型的透明
20、性和阴影技术）光照模型的透明性和阴影技术 A 透明性：透明性：式中，式中，I1为可见面的光强，为可见面的光强，I2为可见面后第一个表面为可见面后第一个表面上的光强，上的光强，t为为I1所对应表面的透明度。所对应表面的透明度。t=0对应不可见，对应不可见，t=1时对应不透明面。若时对应不透明面。若I2所对应的面也是透明面，所对应的面也是透明面，则上述算法可递归地进行下去，直至取到一个不透则上述算法可递归地进行下去，直至取到一个不透明面或背景为止。明面或背景为止。第35页，共36页，编辑于2022年，星期一B B 阴影阴影 在画面中生成阴影的过程中基本上相当于两次消隐，一次在画面中生成阴影的过程中基本上相当于两次消隐，一次是对每个光源消隐，另一次是相对于观察者或视点消隐。因此是对每个光源消隐，另一次是相对于观察者或视点消隐。因此可分成两步处理。即自身阴影和投影阴影。自身阴影是由于物可分成两步处理。即自身阴影和投影阴影。自身阴影是由于物体自身遮挡而使光线照射不到物体上的某些面。当视点和光源体自身遮挡而使光线照射不到物体上的某些面。当视点和光源位于同一方向时，自身阴影面即自身隐藏面。位于同一方向时，自身阴影面即自身隐藏面。第36页，共36页，编辑于2022年，星期一