第9章 真实感图形的显示2
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内容提要
真实感图形的显示 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
明暗处理（光照模型）
光照模型 Gouraud明暗处理 Phong明暗处理
颜色模型
纹理
画家算法
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。这于油 画家作画的过程类似，所以习惯上称作画家算法或油画算 法。
•HSY (Hue, Saturation, Value)
色彩、浓度、亮度
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：
在一平面区域（即纹理空间）上预先定义纹理图案；然后建立物 体表面的点与纹理空间的点之间的对应（即映射）。当物体表面 的可见点确定之后，以纹理空间的对应点的值乘以亮度值，就可 以把纹理图案附到物体表面上。可以用类似的方法给物体表面产 生凹凸不平的外观，或称凸包纹理。不过这时纹理值作用在法向 量上，而不是颜色亮度上。
Phong对表面法线进行插值
Phong对表面法线进行插值
扫描线
颜色模型
颜色模型是指某个三维颜色空间中的一个可见光子集，它包含某个 颜色域的所有颜色。例如，RGB颜色模型是在三维直角坐标颜色系 统中的一个单位正方体。颜色模型的用途是在某个颜色域内方便地 指定颜色。任何一个颜色域都无法包含所有的可见光。
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=Ka Ia 入射的泛光光强
泛光漫反射常数，与物体表面性质有关。（0 Ka 1）
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。
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：（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。
缺点是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）
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。
立方B-r体eps级表示数法据文件 个顶点
个面
隐藏面示例
Z缓冲区算法
画家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。
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。
• RGB颜色模型（原色）
性质：三色相混可得白色，而三种颜色中的任意两种的组合都不能 成其第三种颜色。具有这种性质的三种颜色称为原色。目的是希望 用三种原色的混合去匹配，从而定义可见光谱中的每一色。
•CMY（减性原色系统）
青色cyan（-r）、品红 Magenta(-g)、黄 Yellow(-b)，三色混合可得 黑色。
Z缓冲区算法处理流程
明暗处理
所谓明暗效应，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。
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=Ka Ia+ Kd Il cos + Ks Il cos （泛光+漫反射光+镜面反射光）
由PhongBui Tuong提出的“法向量插值明暗处理”方法称为 Phong明暗处理。
I=Kd Il cos
其中cos=L•N/( |L| |N| )
பைடு நூலகம்
点光源的入射光光强。
镜面反射光： 漫反射常数，与物体表面性质有关。（0 Kd1） 物体表面法向量。
I=Ks Il cosn
n越大，表面越 其中cos =N • H/(|N| |H| )
光滑，反之越 粗造
H=(L+E)/| L+E|
物体表面镜面反射系数，与入射角和波长有关。 镜面反射光光强。
镜面反射中的各个向量关系示意图
光源类别
常量明暗处理和Gouraud明暗处理
考虑光照效应为：I=Ka Ia+ Kd Il cos （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
真实感图形的显示 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
明暗处理（光照模型）
光照模型 Gouraud明暗处理 Phong明暗处理
颜色模型
纹理
画家算法
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。这于油 画家作画的过程类似，所以习惯上称作画家算法或油画算 法。
•HSY (Hue, Saturation, Value)
色彩、浓度、亮度
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：
在一平面区域（即纹理空间）上预先定义纹理图案；然后建立物 体表面的点与纹理空间的点之间的对应（即映射）。当物体表面 的可见点确定之后，以纹理空间的对应点的值乘以亮度值，就可 以把纹理图案附到物体表面上。可以用类似的方法给物体表面产 生凹凸不平的外观，或称凸包纹理。不过这时纹理值作用在法向 量上，而不是颜色亮度上。
Phong对表面法线进行插值
Phong对表面法线进行插值
扫描线
颜色模型
颜色模型是指某个三维颜色空间中的一个可见光子集，它包含某个 颜色域的所有颜色。例如，RGB颜色模型是在三维直角坐标颜色系 统中的一个单位正方体。颜色模型的用途是在某个颜色域内方便地 指定颜色。任何一个颜色域都无法包含所有的可见光。
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=Ka Ia 入射的泛光光强
泛光漫反射常数，与物体表面性质有关。（0 Ka 1）
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。
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：（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。
缺点是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）
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。
立方B-r体eps级表示数法据文件 个顶点
个面
隐藏面示例
Z缓冲区算法
画家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。
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。
• RGB颜色模型（原色）
性质：三色相混可得白色，而三种颜色中的任意两种的组合都不能 成其第三种颜色。具有这种性质的三种颜色称为原色。目的是希望 用三种原色的混合去匹配，从而定义可见光谱中的每一色。
•CMY（减性原色系统）
青色cyan（-r）、品红 Magenta(-g)、黄 Yellow(-b)，三色混合可得 黑色。
Z缓冲区算法处理流程
明暗处理
所谓明暗效应，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。
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=Ka Ia+ Kd Il cos + Ks Il cos （泛光+漫反射光+镜面反射光）
由PhongBui Tuong提出的“法向量插值明暗处理”方法称为 Phong明暗处理。
I=Kd Il cos
其中cos=L•N/( |L| |N| )
பைடு நூலகம்
点光源的入射光光强。
镜面反射光： 漫反射常数，与物体表面性质有关。（0 Kd1） 物体表面法向量。
I=Ks Il cosn
n越大，表面越 其中cos =N • H/(|N| |H| )
光滑，反之越 粗造
H=(L+E)/| L+E|
物体表面镜面反射系数，与入射角和波长有关。 镜面反射光光强。
镜面反射中的各个向量关系示意图
光源类别
常量明暗处理和Gouraud明暗处理
考虑光照效应为：I=Ka Ia+ Kd Il cos （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