第八章真实感图形绘制
真实感图形绘制(光照模型 视无关)课件
10800 rays used in lighting pass.Note:-improved caustic definition,-lighting effect of mirror, -reflection of caustic,-shadowing due to mirror lighting.CausticsFrom Alan Watt, “3D Computer Graphics”Standard raytracer:Diffuse table and blue ball,mirrors left, right and back, transparent red ballBi-directional raytracer More rays in the light passSingle Pass (Conventional RT)Note : caustic due to red transparent ballHenrik http://www.gk.dtu.dk/~hwjBidirectional example200 rays used in lighting pass 400 rays used in lighting passRefraction causticsHenrik http://www.gk.dtu.dk/~hwj15Direct illumination 16Global Illumination17eyediagram photograph:18Original sculpture by John Ferren lit by daylight from behind.Image rendered with radiosity. note color bleeding effects.Ray traced image. A standard ray tracer cannot simulate the interreflection of light between 19Radiosity vs. Ray TracingRay-tracingView-dependentSpecular and refractionRadiosityView-independent Diffuse only20Radiosity vs. Ray Tracing•Ray tracing is an algorithm–If the camera is moved, we have to start over•Radiosity is computed in object-space–View-independent (just don't move the light)–Can pre-compute complex lighting to allow interactive walkthroughs26The Rendering EquationxMuseum simulation. Program of Computer Graphics, Cornell University.50,000 patches. Note indirect lighting from ceiling.32Radiosity Overview在辐射度方法中，所有的景物表面都假设为理想的朗伯漫反射表面所有的入射光在各个方向上反射的光强都一样整个场景被划分为一系列的小区域（small areas, or patches ）设小区域i 向外辐射的所有能量的辐射度为Bi,并认为在i 内所有地方的辐射度为一个常数单位如下，表示单位立体角单位面积的瓦特数:Watts / steradian * meter 2x'ω'x'xxx’Discrete Radiosity EquationA iA j•discrete representation•iterative solution•costly geometric/visibility calculationspatches, over which the radiosity =i B The Radiosity Matrix求解该矩阵，就可以为每一个patch 得到一个B i ，它与视点是无关的。
真实感实时绘制技术综述
程志全 ， 党 岗， 金士尧
ＣＨＥＮＧ ｈ ｑ ａ Ｄ Ｚ ￣ ｕ ｎ， ＡＮＧ ｎ ， Ｓ ｉ ａ Ｇａ ｇＪ ｈ－ ｏ ｙ
纹理映射技术
2. 如何映射
• 利用纹理坐标来定义从图片到几何的映射:
– 要将该纹理映射到一个三角形上, 需设置三角形的 三个顶点在图像空间上的纹理坐标[tx ty], 再对应计 算每个几何像素在纹理图像上的对应RGB颜色;
– 一般一个四边形的纹理坐标: (0,0)(0,1)(1,0)(1,1)
– 3D Game Studio.
3. 纹理插值
• 我们只指定了三角形顶点处的纹理坐标,中间每个象素 的纹理坐标(ti, tj)可用线性插值;
• 一般双线性插值;
• 从而三角形上每个象素点都可对应地到纹理图片上去 取颜色．
思考？
• 图像与几何体的尺寸不一致怎么办？
• 几何对应的纹理空间超出[0,1)纹理空间怎么办？ • 几何物体本身有颜色怎么办?
(1,1)
t1
v1
y
t2 t0
(0,0)
x
Texture Space
v0
v2
Triangle (in any space)
纹理空间与模型空间的对应
基本实现步骤:
• Three steps
-Specify texture
• Read or generate image • Assign to texture • Enable texturing
Texture Space
(1,1) (0,0)
Mirroring
常用对应函数
• wrap or tile: 纹理图像在表面重复。例子：地上的大理石 贴图
• mirror: 纹理图像在表面重复, 但每隔一幅进行翻转 (flipped)。这样在纹理的边界处，纹理可以保持连续。
• clamp : 把[0,1)范围之外的进行截断。截断到[0,1)内的半 个纹素。
真实感图形显示(1)
变换方程的系数，使(ai, bi, ci)指向物体外部的。那么：
假设式(8.1)所定义的凸多面体在以视点为顶点的视图四棱
锥内，视点与第i个面上一点连线的方向为(li, mi, ni)。那么
自隐藏面的判断方法是：
(ai, bi, ci)(li, mi, ni)>0
任意两个自隐藏面的交线，为自隐藏线。（自隐藏线应该用 虚线输出）。
⑸ 选择下一个深度最小的多边形作为裁剪多边形，从步骤⑶ 开始做，直到所有多边形都处理过为止。在得到的多边形中， 所有内部多边形是不可见的，其余多边形均为可见多边形。
8.2.2 深度缓存(Z-buffer)算法
•由来：
帧缓冲器 – 保存各像素颜色值(CB)
z缓冲器 --保存各像素处物体深度值(ZB)
光照模型中各参数的图示
• WP(i)是P点的镜面反射系数(入射角i的函数)。由于W(i)的计算比
较复杂，实际中常用一个常数W代替。
W(i)与i的关系
•
n控制高光的聚散，它
和P点的材料有关。对于光滑发
亮的金属表面，n值取得大，从
而产生会聚的高光点
n与高光区域大小的关系
⒊ 透射光线的情况
• 透射模型如下：
（下面详细介绍每步）
Step1: 计算多面体顶点的法线方 向• 设与多面体顶点V相邻的多边形为P1，
P2，…，Pn，它们的法线分别为N1(a1, b1, c1)，N2(a2, b2, c2)，…，Nn(an, bn, cn)。则V的法线nV取做：
nV = (a1+a2+…+an)i+(b1+b2+…+bn)j+(c1+c2+…+cn)k
第八章--透视图分解
第一节 透视的基本知识 第二节 透视图的基本画法
第一节 透视的基本知识
一、透视图的形成
当人们站在玻璃窗内用一只眼睛观看室外的建 筑物时，无数条视线与玻璃窗相交，把各交点 连接起来的图形即为透视图。
透视投影相当于以人的眼睛为投影中心的中心 投影，符合人们的视觉形象，富有较强的立体 感和真实感，如图8-1所示。
与
影。
基线 — 基面基与面画垂面直的。交线。 在 视高 （Ss）—视点至基面的距离。
画面上以 P-P表示基线，在平面 视距 （Ss'）—视点至画面的距离。
图中以 PH-PH表示画面的位置。 视点（S）—人眼所在的位置，即
画面 P
投影中心。
基面H 视 高 P
s'
视 距
P 视点 S
视 s高
站点
透视术 语
d
俯视图
c
PH 画面线
h s'
视平线 bp
主点
例
b
3 （
一
点
透
视
a
）
ap PH h
Do
Bo Ao
Co c' (d') a'(b')
P
左视图 基 线
P
主视图
s 站点
c PH a b
c
视平线 h
a Pb
例 4 （ 两 点
例4：作纪念碑的一点透视图视透） 。
画面线 PH
s h
基线 s P
例5：求形体的两点透视
平行于画面的直线组，没有灭点。 位于画面上的直线，它的透视与直线本身重合且反映实
长。 与画面相交的平行直线组必有共同的灭点。水平线的灭
【中南大学】计算机图形学习题及答案
计算机图形学作业答案第一章序论第二章图形系统1．什么是图像的分辨率？解答：在水平和垂直方向上每单位长度（如英寸）所包含的像素点的数目。
2．计算在240像素/英寸下640×480图像的大小。
解答：（640/240）×(480/240)或者（8/3）×2英寸。
3．计算有512×512像素的2×2英寸图像的分辨率。
解答：512/2或256像素/英寸。
第三章二维图形生成技术1．一条直线的两个端点是（0，0）和（6，18），计算x从0变到6时y所对应的值，并画出结果。
解答：由于直线的方程没有给出，所以必须找到直线的方程。
下面是寻找直线方程（y ＝mx＋b）的过程。
首先寻找斜率：m ＝⊿y/⊿x ＝（y2－y1）/（x2－x1）＝（18－0）/(6－0) ＝ 3 接着b在y轴的截距可以代入方程y＝3x＋b求出 0＝3（0）＋b。
因此b＝0，所以直线方程为y＝3x。
2．使用斜截式方程画斜率介于0°和45°之间的直线的步骤是什么？解答：（1）计算dx：dx＝x2－x1。
（2）计算dy：dy＝y2－y1。
（3）计算m：m＝dy/dx。
（4）计算b: b＝y1－m×x1（5）设置左下方的端点坐标为（x，y），同时将x end设为x的最大值。
如果dx < 0，则x＝x2、y＝y2和x end＝x1。
如果dx > 0,那么x＝x1、y＝y1和x end＝x2。
（6）测试整条线是否已经画完，如果x > x end就停止。
（7）在当前的（x，y）坐标画一个点。
（8）增加x：x＝x＋1。
（9）根据方程y＝mx＋b计算下一个y值。
（10）转到步骤（6）。
3．请用伪代码程序描述使用斜截式方程画一条斜率介于45°和－45°（即|m|>1）之间的直线所需的步骤。
假设线段的两个端点为（x1，y1）和（x2，y2），且y1<y2int x = x1, y = y1;float x f, m = （y2－y1）/（x2－x1）, b = y1－mx1;setPixel( x, y );/*画一个像素点*/while( y < y2 ) {y++;x f = ( y－b)/m;x = Floor( x f +0.5 );setPixel( x, y );}4．请用伪代码程序描述使用DDA算法扫描转换一条斜率介于－45°和45°（即|m| ≤1）之间的直线所需的步骤。
计算机图形学课件第八章-几何造型简介
32
作业
1．几何造型有哪三种模型？各有什么特点？ 2．分析比较CSG法与B-rep法优缺点。
1973年在英国剑桥大学由I· C· Braid等建成了BUILD系统 1973年日本北海道大学公布了TIPS-1系统 1978年，Shape Data的ROMULUS系统问世 1980年 Evans和Sutherland开始将ROMULUS投放市场
目前市场上已有许多商品化的几何造型系统。
国外： AUTOCAD、CATIA、I - DEAS 、Pro/Engineer、
1
第八章 几何造型简介
8.1 概述 8.1.1 几何造型定义 几何造型是计算机及其图形
工具表示描述物体形状，设计几 何形体，模拟物体动态处理过程 的一门综合技术。包括： 1、曲面造型：B样条曲面，Coons 2、实体造型 3、特征造型：面向制造全过程，实现CAD/CAM集成重要手段 三种造型关键是实体造型，后面重点讨论实体造型。
画、边、点之间的拓扑关系
16
8.3.2 边界表示（B-rep）法
2、形体边界表示法 （1）分层表示 将形体面、边、顶点的信息分别记录，建立层与层 之间的关系，其信息包括几何信息和拓扑信息。 （2）翼边结构 以边为核心来组织形体数据
（3）优缺点 优点：可直接用几何体面、边、点来定义数据， 方便图形绘制。 缺点：数据结构复杂，存储量大。
27
8.3.5 分解表示法（D-rep）
先讨论四叉树再讨论八叉树。 1、四叉树
四叉树处理图形基本思想：假定图形由N ×N个像素构成， 且 N＝ 2m。将图形四等分，划分后可能出现三种情况：
（1）图形不占区域：白色区域，不必再划分；
计算机图形学课程设计-三维真实感图形设计与绘制
计算机图形学课程设计报告一、实验题目三维真实感图形设计与绘制（1）题目容说明：本题目要求应用OpenGL的光照技术和纹理技术实现一个简单的三维真实感图形的程序设计。
具体要现功能：1）通过对话方式实现交互式设计光照模型功能。
2）实现三维模型纹理映射功能3）用鼠标跟踪球方法实现三维模型的空间旋转2）实现鼠标跟踪球方法程序二、需求分析真实感图形的设计与绘制，是计算机图形学中的一个重要研究领域，也是三维实体造型系统和特征造型系统的重要组成部分。
一般地，三维实体在计算机显示屏上有三种表现形式:简单线框图、线框消隐图和真实感图形。
其中，简单线框图能够粗略表达实体的形状，但由于简单线框图的二义性，从而导致表达其的实体形状具有不确定性。
而线框消隐图虽然能反映实体各表面间的相互遮挡关系，从而达到消除简单线框图产生的二义性的目的，但是这两者一样地只能反映实体的几何形状和实体间的相互关系，而不能反映实体表面的特征，如表面的颜色、材质、纹理等。
所以，只有真实感图形才能表现实体的这些特征，因此，在三维实体造型中，生成三维实体的光照模型，进行实体的真实感绘制与显示占有重要的地位，是很有必要的，也是我做此设计的初衷。
在设计中，我主要使用Opengl绘制真实感图形，它作为一种强大的三维图形开发工具，通过便捷的编程接口提供了处理光照和物体材质、颜色属性等通用功能。
真实感图形学是计算机图形的核心容之一，是最能直接反映图形学魅力的分支。
寻求能准确地描述客观世界中各种现象与景观的数学模型，并逼真地再现这些现象与景观，是图形学的一个重要研究课题。
很多自然景物难以用几何模型描述，如烟雾、植物、水波、火焰等。
本文所讨论的几种建模及绘制技术都超越了几何模型的限制，能够用简单的模型描述复杂的自然景物。
在计算机的图形设备上实现真实感图形必须完成的四个基本任务。
1. 三维场景的描述。
三维造型。
2. 将三维几何描述转换成为二维透视图。
透视变换。
3. 确定场景中的所有可见面。
8 真实感图形
void CMyView::WLineTo(float X, float Y, float Z,CDC*pDC)// 用三维 点坐标直接从当前点画线到一点的函数 { Project(X, Y, Z); // 将三维点作投影 XScreen = floor(0.5 + XProj * Scale +400); // 圆整(立体在 圆整( 屏幕上初始的X坐标位置 坐标位置) 屏幕上初始的 坐标位置 YScreen = floor(0.5 + 300 - YProj); // 圆整(立体在屏幕上初 圆整( 始的Y坐标位置 坐标位置) 始的 坐标位置) pDC->LineTo(XScreen, YScreen); // 画线到一点 }
void CMyView::Mydraw() { RedrawWindow(); ReadVertics(); ReadFaces(); // 绘出透视投影下的凸多面体图形 VisionPoint(); // 给出视点位置 DrawObject(); // 画出立体的图形 }
三.实验步骤: 实验步骤: 1.建立project; .建立 ; 2.选择欲创建的文档类型; .选择欲创建的文档类型; 3.根据真实感图形生成中的消隐技术,或光照技术,图 .根据真实感图形生成中的消隐技术,或光照技术, 形反走样技术,或阴影生成技术, 形反走样技术,或阴影生成技术,设计出一个具有真实感 图形的程序; 图形的程序; 4.编译,调试,运行,并检查是否得到预期结果; .编译,调试,运行,并检查是否得到预期结果; 5.按要求书写并提交试验报告. .按要求书写并提交试验报告.
void CMyView::NormalVector(int St1, int St2, int St3)// 此函数用表 面三个顶点调用求该表面的法矢 // St_i is the i_th point of a face. { float P1, P2, P3, Q1, Q2, Q3; // 求一个向量 P1 = St[St2][1] - St[St1][1]; P2 = St[St2][2] - St[St1][2]; P3 = St[St2][3] - St[St1][3]; // 求另一个向量 Q1 = St[St3][1] - St[St1][1]; Q2 = St[St3][2] - St[St1][2]; Q3 = St[St3][3] - St[St1][3]; //用向量积求法向量 用向量积求法向量 n1 = P2 * Q3 - Q2 * P3; n2 = P3 * Q1 - Q3 * P1; n3 = P1 * Q2 - Q1 * P2; }
透视学第八章立体透视图的阴影
L
a
下图为另一物体的透视图。根据光线被物体 遮挡的情况，需要做出物体上8个点的落影，顺 次连接它们即可。这个物体的阴影由两部分组成， 一部分位于物体水平伸出的侧板上，另一部分位 于基面上。
Fx 8 7 7 3 2 8 6 5 4 L 6 5 4 Fy
2
3
侧光照射下台阶的阴影。
2、 正光照射时的阴影 正光照射时光线的灭点在视平线以下，光线水平投影的 灭点在视平线上，且两个灭点在垂直于视平线的铅垂线上。 做好透视图后，根据阴影效果的要求确定正光光线在透视 图中的两个灭点Fl和FL，并据此作出物体的阴影。做图方 法如下：将A点与FL相连，连线即为过A点的光线的透视， 将B与Fl相连，连线为 过A点的光线水平投影的透视。
P
FL L
HL
o S F
GL
s G
二、透视图阴影的绘制 光线受形体的遮挡形成阴影，光线照射情况 的不同使物体形成的阴影也表现出特定的几何形 状。 形体可以看作是由面组成，而面又可看作由线 组成，线则由点组成，所以，求体的阴影可以转 化为求面的阴影，继而转化为求线、点的阴影。
1、 铅垂线在水平面上的落影
铅垂线的落影在通过铅垂线的光平面与承影面的交线 上。下面几个例子中，为了便于说明，假设铅垂线有一个 端点在基面上。 （1）、 侧光照射时的阴影 侧光照射且承影面为基面时，铅垂线的落影平行于基 线GL。如图，铅垂线的透视为AB（在透视作图时，为了 简便起见，AB的透视用“AB”表示， A AB的阴影用“A0B0”表示），其 HL 一端位于基面上，所以B的落影就 L 是其本身。过A作光线的平行线交 过点B所作的水平线于点A0，A0 A 即为A点在承影面上的落影， B GL 线段BA0即为AB的落影。
计算机图形学报告
. . . . .. . 优质资料 .. 计算机图形学 (2017年秋季学期)实验 报 告系别：计算机科学与技术 班级： ： 学号：实验名称：2-真实感图形绘制2020-11-132/3《计算机图形学》实验报告实验名称真实感图形绘制 实验序号 2实验日期 2017.12.13 实验人 一、实验目的、要求与环境1．目的：通过实验，学生应掌握通过计算机程序进行真实感图形绘制的基本原理，特别是对三维显示对象进行纹理映射的基本方法，将理论和实际应用切实结合起来。
2.要求：对一个三维立方体进行旋转，对其6个不同的面进行6个不同图像的纹理映射，并进行投影变换与显示，分析增强后的视觉效果，提交实验报告。
3.环境：Windows 7操作系统Microsoft Visual Studio 2005OpenGL 函数库4. 自带位图文件(换成你自己的图像文件)：总成绩：评语：日期：2020-11-1311/12二、实验容与步骤1. 准备相关图像文件。
2. 进行立方体各面图像与旋转速度的大体设计。
3．在Windows 7 操作系统上，打开Microsoft Visual Studio 2005，编写相关程序，完成程序主体框架结构。
4．编写六面体显示相关的程序代码。
5．编写六面体旋转相关的程序代码。
6．编写深度检测相关的程序代码。
7. 编写纹理载入功能的相关程序代码。
8. 编写纹理参数定义功能的相关程序代码。
9. 编写纹理映射功能的相关程序代码。
10．对程序进行相关调试，修改程序，去除其中的BUG 。
11. 观察纹理映射后的六面体的旋转显示，与预想的结果进行对比，修改相关程序参数。
12．截屏，保留实验结果，进行实验结果分析，并撰写实验报告。
2020-11-13 2/32020-11-13 11/12四、编译过程截图五、实验结果与分析（下面是一个例子，换上你自己的图）实验结果：实验分析程序通过glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, lastTextureID);语句，完成了恢复之2020-11-13 2/32020-11-13 11/122020-11-13 2/32020-11-13 11/122020-11-13 2/3。
计算机图形学教学大纲文档经典
XX大学《计算机图形学》教学大纲编写单位：__________执笔人：____________审核人：____________XX大学xx系20xx年9月［实验要求］本课程实验要求较高，实验内容多且相关性较强，有关实验的具体要求与内容需按实验大纲执行，本大纲中不再另行说明。
第一章绪论［教学内容1计算机图形学的目标与任务；计算机图形学的内容体系；计算机图形学相关学科；计算机图形学相关领域。
［教学目标与要求］熟练掌握：计算机图形学的内容体系；计算机图形学的目标与任务；掌握：计算机图形学的应用领域；计算机图形学的相关学科；了解：计算机图形学的发展。
［重点与难点］计算机图形学的内容体系；计算机图形学的目标与任务。
［教学时数］2学时第一节计算机图形学的目标与任务一、视觉交流是计算机图形学的目标与任务二、计算机图形学的三个基本任务第二节计算机图形学的内容体系一、基础模块二、建模与表示模块三、绘制模块四、交互技术第三节计算机图形学相关学科一、图形与图像二、相关学科第四节计算机图形学的应用领域一、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）二、科学计算可视化三、虚拟现实四、动画第五节计算机图形学的发展一、计算机图形学的发展简史二、计算机图形学的发展趋势［复习思考题］1、图形包括哪两方面的要素？在计算机中如何表示它们？2、图形的本质是什么？3、如何看待计算机图形学的发展趋势？第二章图形系统［教学内容1Visual图形系统概述；图形系统体系结构；图形支撑软件；图形硬件显示原理; ［教学目标与要求］熟练掌握：图形系统体系结构；图形硬件显示原理掌握：图形系统基本概念和术语；了解：图形支撑软件［重点与难点］图形系统体系结构；图形硬件显示原理［教学时数］2学时第一节图形系统概述一、图形系统组成结构1.图形系统组成结构2.图形系统分类第二节图形系统体系结构一、概述二、应用程序阶段三、几何处理阶段四、光栅阶段第三节图形支撑软件一、OpenGL二、DirectX三、Java2D 和 Java3D第四节图形硬件显示原理一、图形显示设备及工作原理二、图形显示方式三、光栅扫描图形显示系统［复习思考题］1、从图形硬件显示原理角度，思考并分析如何显示直线？2、请你总结一下光栅显示系统的优缺点？3、在光栅显示系统中，显卡有什么作用？第三章二维图形生成［教学内容1直线生成算法；圆弧绘制算法；区域填充；字符；反走样技术; ［教学目标与要求］熟练掌握：直线生成算法；区域填充；圆弧绘制算法掌握：反走样技术了解：字符编码［重点与难点］直线生成算法；区域填充；圆弧绘制算法［教学时数］8学时第一节直线生成算法一、数值微分法二、逐点比较法三、Bresenham画线法四、中点画线法第二节圆弧绘制算法一、基于光栅的整圆绘制算法二、角度离散法绘制圆弧和椭圆弧第三节区域填充一、种子填充算法二、多边形填充算法第四节字符一、字符的编码二、点阵字符三、矢量字符第五节反走样技术第六节编程实例-地图绘制一、地图绘制方法二、基于OpenGL的地图绘制［复习思考题］1、简述DDA算法、中点画线法、Bresenham画线法算法的思想？2、根据中点画圆法和Bresenham算法，绘制一条端点为（1，1）和（6, 5）的直线，画出对应各像素的位置？第四章图形几何变换［教学内容］二维几何变换；三维几何变换；图形几何变换的模式;［教学目标与要求］熟练掌握：二维几何变换；三维几何变换；掌握：图形几何变换的模式；［重点与难点］二维几何变换；三维几何变换；［教学时数］6学时第一节二维几何变换一、基本变换二、二维复合变换三、二维坐标系间的变换第二节三维几何变换一、基本变换二、三维复合变换三、三维坐标系间的变换第三节图形几何变换的模式一、固定坐标系模式二、活动坐标系模式［复习思考题］1、试编写对二维点实现平移、旋转、比例变换的程序。
第八章 道路三维建模及透视图绘制
第八章道路三维建模及透视图绘制随着我国道路交通事业的迅速发展，以及高速公路网的规划，人们对道路的设计提出了新的要求。
道路的设计不再仅仅局限于单纯的几何设计和结构设计，更加强调道路这个三维空间实体的整体设计；注重道路的道路与环境的协调性、美观性；注重道路的整体布置。
评价道路的立足点已由单纯的功能性转向功能性和美观性相兼的综合考虑，不仅要求有一个方便快捷、安全的行驶道路，而且希望它是舒适的美观的。
利用道路三维模型和动画来检验、评价道路的立体线形设计、以及景观设计无疑是最直观、最生动的。
三维透视图比二维图更加让人容易了解，更能一目了然。
模拟司机驾驶，通过视觉，运动感觉和时间变化来判断分析设计的道路立体线形和道路景观，这样更有利于道路方案比选，有利于优化线形设计，有利于景观设计。
第一节道路三维建模程序的基本内容与功能一、道路三维建模程序的基本内容道路是若干带状空间结构相互联结并置于三维地表之上的空间结构。
道路线形是道路的平面、纵断面和横断面三者合一的立体线形，最终映入驾驶员眼睛的是道路平纵横配合后的三维带状实体。
而一个道路工程项目包括路基、桥梁、涵洞、通道、立交、平交、交通工程设施以及其他附属设施等多项工程实体。
道路工程三维建模就是在计算机中建立起这些工程实体的三维模型，制作出具有真实感的效果和三维动画等多种视觉模型。
道路工程中的工程实体比较复杂，但根据各构造物的设计计算方法和结构特点，可以把道路三维建模分成四个模块：道路建模、交通设施建模、桥梁建模和辅助建模。
1.道路建模：可以创建路基、路面、边坡、边沟等物体的三维模型。
2.交通设施建模：用于创建护栏、标志牌、轮廓标、路面标线等交通设施的三维建模。
3.桥梁建模：用于创建桥头锥坡、下部构造、上部构造等三维模型。
4.辅助建模：提供视图和空间视角观察、模型交互式编辑、信息查询、透视图图纸、摄像机路径生成、数据文件检查等辅助功能。
由于道路工程构造物的形式比较多样化，因此在三维建模开发的时候，应本着通用、灵活、简洁、方便和实用的原则，在保证实用性的前提下，尽可能地降低三维建模的复杂度和难度。
多边形绘制方法
多边形绘制方法
分类：均匀着色、光滑着色 均匀着色
方法：任取多边形上一点，利用光照明方程计 算出它的颜色，用这个颜色填充整个多边形
适用场合： 1）光源在无穷远处； 2）视点在无穷远处； 3）多边形是物体表面的精确表示；
计算机图形学
多边形绘制方法
缺点：产生的图形效果不好。 如左图：相邻两个多边形的法向不同
(d )I pR[KdCdR (L N ) KsCsR (V R)n ] (d )I pG[KdCdG (L N ) KsCsG (V R)n ]
IB
KaCdB IaB
f
(d )I pB[KdCdB (L N ) KsCsB (V
R)n]
统一表示 R,G, B
I KaCd Ia f (d )I p [KdCd (L N ) KsCs (V R)n ]
计算机图形学
简单光照明模型---- 光的衰减
光在物体表面到人眼过程中的衰减
深度暗示（Depth Cueing）技术：最初用于线框 图形的显示，使距离远的点比近的点暗一些。经过
改进，这种技术同样适用于真实感图形显示。
设前参考面Z=Zf，后参考面Z=Zb；其比例因子分别 为Sf和Sb（ Sf和Sb [0,1]）。给定物体上一点的 深度值Z0，该点对
计算机图形学
简单光照明模型 ---- Phong光照明模型
简单光照明模型模拟物体表面对光的反射作用, 光源为点光源
反射作用分为
物体间作用用环境光来代替(Ambient Light) 漫反射(Diffuse Reflection) 镜面反射(Specular Reflection)
计算机图形学
模拟物体表面的光照明物理现象的数学模型，
即计算某一点的光强度的模型：
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物体所表现的颜色与光源有密切的关系。光照模型的 作用就是计算物体可见表面上每个点的颜色与光源的 关系，因此它是决定图形真实感的一项重要内容。物 体表面发出的光是极其复杂的，它既与环境中光源的 数目、形状、位置、光谱组成和光强分布有关，也与 物体本身的反射特性和物体表面的朝向有关，甚至还 与人眼对光线的生理和心理视觉因素有关。把这一切 都通过计算机精确地计算出来是不现实的，我们只能 用尽可能精确的数学模型——光照模型来模拟光和物 体的相互作用，从而近似地计算物体可见表面每一点 的亮度和颜色。
第八章真实感图形绘制
Phong 模型假设反射光线集中在反射方向(反 射角等于入射角的方向)附近，并随着与反射 方向夹角的增大，反射光急剧减弱。用Phong 模型计算所得的物体象塑料，镜面反射光是光 源的颜色，不能反映物体表面的材料特性，而 且镜面反射在入射角很大时有失真。这个模型 模拟的反射效果不理想，用它生成的图形缺乏 质感。
第八章真实感图形绘制
光照模型--明暗的光滑处理
图中上面的牛多边形网格模型用Phong模 型绘制 下面的同一个模型用增量式光照明模型 绘制
第八章真实感图形绘制
光线跟踪--光线跟踪的基本原理
光线跟踪（Ray-trace）是一种真实感地显示物体的方法，该方 法由Appel在1968年提出[11]。光线跟踪方法沿着到达视点的光线的 相反方向跟踪，经过屏幕上每一象素，找出与视线所交的物体表面 点 P0，并继续跟踪，找出影响P0点光强的所有的光源，从而算出P0 点上精确的光照强度。
不同物体表面所呈现的亮度未必相同，因为它们的环境光反 射系数不同。
光照明方程（仅含环境光）： Ie = KaIa Ie为物体表面所呈现的亮度。
第八章真实感图形绘制
简单光照明模型
点光源的照射：照在物体的不同部分其亮度也不同，
亮度Ip的大小依赖于物体的朝向及它与点光源之间的距离.
漫反射(diffuse reflection):粗糙、无光泽的
表面对光的反射
朗伯余弦定律： Id = IpKd cos a 漫反射光的强度只与入射角有关
光照明方程（含环境光与漫反射光） I = Ie + Id = IaKa + IpKd cos a
第八章真实感图形绘制
第八章真实感图形绘制
简单光照明模型
镜面ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ射：
光滑表面，“高光”效果；理想反射面与非理想反射面
第八章真实感图形绘制
多边形绘制方法
分类：均匀着色与光滑着色 均匀着色
所适用场景：1）光源在无穷远处； 2）视点在无穷远处； 3）多边形是物体表面的精确表示；
光滑着色，亦称插值着色
Gouraud着色方法 Phong着色方法
第八章真实感图形绘制
多边形绘制方法
Gouraud着色方法 通过对多边形顶点颜色进行线性插值来获得其内
多边形绘制方法
Phong着色方法
通过对多边形顶点的法矢量进行线性插值来获得其内 部各点的法矢量，又称法向插值着色方法。
步骤如下： 1）计算多边形的单位法矢量；
2）计算多边形顶点的单位法矢量； 3）在扫描线消隐算法中，对多边形顶点的法矢量进 行双线性插值，获得多边形内部（位于多边形内的扫 描线上）各点的法矢量； 4）利用光照明方程计算各点的颜色。
第八章真实感图形绘制
物体表面光的亮度是指单位投影面积在单位立 体角内发出的光的能量，它是物体表面上的小 面元所具有的性质。对点光源常用强度来代替 亮度。强度是指点光源在单位立体角内发出的 光能。同样大小的被照射面离光源越远，接收 到的光能就越少。光的传播服从反射定律和折 射定律，光源与物体所表现颜色的关系可通过 光照模型来模拟。
第八章真实感图形绘制
简单光照明模型
彩色场景的产生
1）选择一个合适的颜色模型 2）为颜色的三个分量分别建立光照明方程
光照明方程
固定颜色光的光照明方程 任意颜色光的光照明方程 多光源照射的光照明方程
第八章真实感图形绘制
简单光照明模型
最基本的光照模型是Phong模型，它首次使光 源和视点的位置可以任意选定。Phong 模型表 达式如下：
第十二讲 真实感图形绘制
简单光照明模型 多边形绘制方法 表面细节模拟 透明 整体光照明模型
第八章真实感图形绘制
现实世界中，物体所表现的颜色都是光能作用的结果。 客观世界中的物体都不同程度地具有发射光线、吸收 光线、反射光线和透射光线的能力。光线照射到物体 表面时，一部分被吸收并转化为热能，其余部分被则 反射或透射。正是部分反射或透射的光线被眼睛接收 后，我们才感觉到物体的存在及其所特有的形状和色 彩。因此，要绘制高度真实感图形，就必须定义场景 中的光源。为了便于计算，我们必须定量地描述光的 多少或强弱，亮度和强度就是用来定量描述光的两个 基本概念。
部各点颜色，又称颜色插值着色方法。
对多边形网络中的每一个多边形，其着色步骤如下： 1）计算多边形的单位法矢量； 2）计算多边形顶点的单位法矢量； 3）利用光照明方程计算顶点的颜色； 4）在扫描线消隐算法中，对多边形顶点颜色进行双线性插值， 获得多边形内部（位于多边形内的扫描线上）各点的颜色。
第八章真实感图形绘制
第八章真实感图形绘制
光照模型--明暗的光滑处理
Phong第光八照章真明实模感图型形示绘制意彩图
多边形绘制方法
两方法的比较 1）Phong着色方法计算量远大于Gouraud着色方法
2） Phong着色方法绘制的图形比Gouraud方法更真实
体现在两个场合：高光区域的扩散 不产生高光区域
插值着色方法存在的问题
Phong 模型 光照明方程
第八章真实感图形绘制
第八章真实感图形绘制
第八章真实感图形绘制
简单光照明模型
光的衰减
两个阶段：1）从光源到物体表面的过程中的衰减 2）从物体表面到人眼过程中的衰减
总的效果：物体表面的亮度降低
光照明方程
1）有效衰减函数的加入 2）深度暗示技术的加入
第八章真实感图形绘制
第八章真实感图形绘制
简单光照明模型
光照射到物体表面，主要发生： 反射 透射（对透明物体） 部分被吸收成热能
反射光，透射光决定了物体所呈现的颜色
第八章真实感图形绘制
简单光照明模型
假定物体是不透明的（即无透射光）
环境光：在空间中近似均匀分布，即在任何位置、任何 方向上强度一样,记为Ia
环境光反射系数Ka：在分布均匀的环境光照射下，