真实感图形绘制技术方案
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简单光照模型 整体光照模型
光源类型
点光源 无限远点光源 局部光源 环境光
点光源
描述：
光从空间中一点发出
光源在所有方向发出的 能量相同
模型参数：
光源的空间位置 (Lx,Ly,Lz)
光照强度Ip
入射光能量：
It
Ip*
cos
I p s n
在Z缓冲区算法中，屏幕上哪个像素点的颜色先计算， 哪个后计算，其先后顺序是无关紧要的，不影响消隐 结果。因此，该算法不需要预先排队，从而省去了排 序时间。
目前许多图形工作站都配置硬件实现的Z缓冲器算法， 以便于图形的快速生成和实时显示
缺点：
占用的存储容量大
（二）光照模型
18
19
（二）光照模型
（一）消隐技术
BSP算法（Binary Space Partition）
设置视点位置 选取空间中某一平面对场景中的组成平面进行二
值状态分离，根据视点位置，位于分割平面前的 组成面设置状态为前（Front），位于分割平面后 的组成面设置状态为后（Back）。对于与分割面 相交的组成面，将其分成独立的两部分。 继续选取分割平面对之前的分离结果进行更细致 的分离，直至每个子区域只有一个组成面或包含 的组成面容易进行深度比较为止 最终形成一个二值状态的二叉树
sn
Zw
s n P
Yw
Lx
点光源
Lz
Ly
Xw
无限远光源
光源位置处于无限远处
入射光线平行：平面上任意一点的 入射角相同
模型参数：
光强 入射角
点光源
局部光源
用相关角度来模拟定向 光束的光照特征
模型参数：
位置 方向 光强 照射角
只有在光源照射范围之 内的空间点可以被光照 到
理想镜面反射
反射光与入射光位于表面法 向两侧
理想反射面而言：入射角＝ 反射角
观察者只有在反射方向上才 能看到反射光
反射光
非理想镜面反射
R
对一般的光滑表面，反射光集中在一
入射光 L
N
个范围内，
由反射定律决定的反射方向光强最大。
对于同一点来说，从不同位置所观察 到的镜面反射光强是不同的。
境光反射系数记为Ka 。
光照明方程（仅含环境光）：物体表面所呈现的亮度 Ie = KaIa
例如，透过厚厚云层的阳光就可以称为环境光。
Ka = 0.4
Ka = 0.8
反射模型
当光照射到物体表面时，光线可能被吸收、反射和透 射。
被物体吸收的部分转化为热， 反射、透射的光进入视觉系统，使我们能看见物体。 目前虚拟光照的研究主要针对物体对入射光的反射模型进行
角θ 的余弦成正比，即： Id Kd I p cos
其中，Kd 是漫反射系数（0～1之间的常数），与物 体表面性质有关；Ip 是入射光（光源）的光强；θ是入 射光的入射角，即入射光与物体表面法向量之间的夹角。
漫反射（续）
设物体表面在照射点 P 处的单位法向量为N，P 到点光源的单位向量为L，则上式可表达为如下的 向量形式：Id Kd I p ( N L)
速排序
视点1 A
P2
视点3
B P1
D 视点2
C 视点4
P1 Back
Front
P2
P2
Front
Back Front
Back
A
B
D
C
Front
P1 Back
P2
P2
Back
Front Back
Front
A
B
D
C
P1 Back
Front
Back
P2
P2
Front Back
Front
A
B
D
Cຫໍສະໝຸດ Baidu
（一）消隐技术
Weiler-Atherton算法
可见多边形裁剪 以位于最前面的景物表面为裁剪窗口，对后面的景物
进行裁剪，位于裁剪窗口之内的表面或表面的被遮挡 部分可以消去。位于窗口之外的表面组成外裁剪多边 形表，取表中位于最前面的表面为裁剪窗口，继续对 其他表面进行裁剪，直至外裁剪结果多边形表为空为 止。
镜面反射由于表面光滑的物体对入射光的反射形成的
对于理想镜面，反射光集中在一个方向，并遵守反射 定律。
对一般的光滑表面，反射光集中在一个范围内，且由 反射定律决定的反射方向光强最大。因此，对于同一 点来说，从不同位置所观察到的镜面反射光强是不同 的。
高光现象：镜面反射光在反射方向附近形成很亮的光 斑
多边形着色方法
均匀着色(Flat Shading) 光滑着色（Smooth Shading）
I Ie Id Is KaIa f (d )I p[Kd (L N ) Ks (V R)n ]
多个点光源：
m
I Ie Idi Isi i 1
m
KaIa
fi I p[Kd (Li N ) Ks (V Ri )n ]
i 1
Z缓冲区算法又称为深度缓存算法，不仅需要一个帧 缓冲区(Frame Buffer)来存放每个像素的亮度值，而且 还需要有一个Z缓冲区(Z Buffer)来存放每个像素的深 度值，即Z坐标。这正是Z缓冲区算法名称的来历。
Z Buffer的大小由屏幕显示分辨率决定
优点：
Z缓冲区算法排序灵活简单，有利于硬件实现。
从物体表面反射出来的光取决于光的成分、光源的几 何性质、物体表面朝向和表面性质等。由于物体表面 反射性质不同，可以将反射模型分为两类：
漫反射 镜面反射
漫反射
漫反射光可认为是光穿过物体表面 被吸收，然后重新发射出来的光。 漫反射光均匀的漫布在各个方向， 与观察者位置无关，从各个视角观 察都具有相同的亮度。
（一）消隐技术
表优先级算法（画家算 法）
优点：简单、易于实现， 并且可以作为实现更为 复杂算法的基础
缺点：只能处理互不相 交的面，而且深度优先 级表中的顺序可能出错
A
B
边界表示
画家算法之 先A后B
正确投影
画家算法之 先 B后A
只能把有关的面进行分割后再排序。增加了算法的 复杂度，因此，该算法使用具有一定的局限性
光照方程： Is I pKs cosn I pKs (V R)n
Ks是物体表面镜面反射系数，它与入射 角和波长有关； α 是视线与反射方向的夹角； n 为镜面高光系数，用来模拟镜面反射 光在空间中的汇聚程度，它是一个反映 物体表面光泽度的常数；
镜面高光系数 n的影响效果
N 入射光
视点 A
D
P2 B P1
C
Front
P1 Back
A,B
D,C
P1 Front
Back
P2
P2
Front
Back Front
Back
A
B
D
C
（一）消隐技术
BSP算法（Binary Space Partition）
是一种决定场景可见性的有效方法 与画家算法类似，也是从远到近往屏幕覆盖画面元素 适合在场景不变，视点变化的场合中对景物表面做快
（一）消隐技术
表优先级算法（画家算法）
1. 将屏幕置成背景色 2. 构造物体组成面的深度优先级表：把物体的各个面按
其离视点的远近进行排序，离视点远的在表头，离视 点近的在表尾 3. 由远到近进行绘制：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。这与油画家作画的过程类似， 先画远景，再画中景，最后画近景，因此将这种算法 称为画家算法。
的光反射作用，只用环境光(Ambient Light)来表示
Phong光照模型
由物体表面上点P反射到视点的光强I
=
环境光的反射光强 Ie
+理想漫反射光强Id
+镜面反射光Is
Phong光照模型
光的衰减
从光源到物体表面过程 中的衰减
从物体表面到人眼过程 中的衰减
L
反射光 R
N=10,30,50
n = 15
n=5
n=1
n 常规取值 5~20
光照效果比较
简单光照模型
简单光照模型
简单光照明模型模拟物体表面对光的反射作用。 光源被假定为点光源， 反射作用被细分为镜面反射(Specular Reflection)和
漫反射(Diffuse Reflection)。 模型只考虑物体对直接光照的反射作用，而物体间
（一）消隐技术
对象空间法
对象空间：三维场景的描述空间 对象空间法：在物体描述空间中，根据物体的
几何关系计算物体的哪些部分可见，其目的是 消去那些不可见的面或面的不可见部分 例如：以空间中的三维平面作为分析对象，通 过比较各平面的参数来确定它们的可见性
表优先级算法、BSP算法、Weiler-Atherton算 法
相关因素：
光源强度 物体朝向 物体表面反射系数
光照方程：
Id Kd I pcos
漫反射（Diffuse Reflection）
点光源：向周围所有方向发射等强度的光 漫反射光是由物体表面的粗糙不平引起的，它均匀地向
各个方向传播，与视点无关
漫反射光在空间均匀分布，反射光强 I 与入射光的入射
照射方向
点光源
光源的照射角
环境光
是指光源间接对物体的影响，是在物体和环境之间多 次反射，最终达到平衡时的一种光。
我们近似地认为同一环境下的环境光，其光强分布是 均匀的，它在任何一个方向上的分布都相同，即在任
何位置、任何方向上强度一样,记为Ia
在分布均匀的环境光照射下，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，环
真实感图形绘制技术
主要内容
消隐技术 光照模型 透明处理 阴影绘制 纹理映射
（一）消隐技术
通常，我们看一个3D物体，是不能一眼看到其全 部表面的，只能看到该物体表面上的部分点、线、 面，而其余部分则被这些可见部分遮挡住。
如果观察的是多个3D物体，则物体之间还可能彼 此遮挡而部分不可见。
（一）消隐技术
（一）消隐技术
Z-buffer算法（图像空间法）
算法思想：在图像投影空间中，用近点投影取代远点 投影。即对当前处理空间平面投影区域中的某一像素 点，比较该像素点的深度值与帧缓存中对应的已有像 素点的深度值大小，如果当前像素点的深度值较小， 则将当前像素的颜色值写入帧缓存，它的深度值写入 深度缓存
虚拟场景着色方案：
为物体每个表面赋予固定的颜色，无论怎样观察物体 其颜色保持不变
尽可能模拟光源与彩色表面相互作用的效果
计算机图形学中，采用光照模型来计算景物表面 上任一点投向观察者眼中的光亮度的大小和色彩 组成，生成具有真实感的图像
光照模型：用来计算投射到人眼中光亮度大小的 数学模型。
因此，如果想有真实感地显示3D物体，必须在视 点确定后，将对象表面上不可见的点、线、面消
去。执行这一功能的算法，称为消隐算法。
（一）消隐技术
三维网格模型将三维物体的表面分解为一 组空间多边形，消隐算法就是研究多边形 之间的遮挡关系。
按操作对象的不同，可分为两大类：
对象空间方法（Object Space Methods） 图像空间方法（Image Space Methods）。
如果有多个光源，则可以把各个光 源的漫反射光照效果进行叠加：
m
Id Kd I pi ( N Li ) i 1
环境光与漫反射光结合 方程： I I e I d I a K a I p K d ( L N )
例子：
镜面反射（Specular Reflection）
（一）消隐技术
图像空间法
图像空间：对象投影后所在的二维空间 图像空间法：是将对象投影后分解为像素，按
一定的规律，比较像素之间的深度值，从而确 定其是否可见
Z-buffer算法
几乎所有的消隐算法都涉及到排序问题。消隐算 法的基本思想是将物体上所有的点、线、面，按 照距视点的远近进行排序。一般来说，离视点较 远的物体，就有可能被离视点较近的物体完全或 部分遮盖。消隐算法的效率在很大程度上取决于 排序的效率
Phong模型特点分析
模型简单，便于实时绘制 是一个经验模型，可以达到一定的真实度 还具有以下的一些问题
用Phong模型显示出的物体像塑料，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
光源类型
点光源 无限远点光源 局部光源 环境光
点光源
描述：
光从空间中一点发出
光源在所有方向发出的 能量相同
模型参数：
光源的空间位置 (Lx,Ly,Lz)
光照强度Ip
入射光能量：
It
Ip*
cos
I p s n
在Z缓冲区算法中，屏幕上哪个像素点的颜色先计算， 哪个后计算，其先后顺序是无关紧要的，不影响消隐 结果。因此，该算法不需要预先排队，从而省去了排 序时间。
目前许多图形工作站都配置硬件实现的Z缓冲器算法， 以便于图形的快速生成和实时显示
缺点：
占用的存储容量大
（二）光照模型
18
19
（二）光照模型
（一）消隐技术
BSP算法（Binary Space Partition）
设置视点位置 选取空间中某一平面对场景中的组成平面进行二
值状态分离，根据视点位置，位于分割平面前的 组成面设置状态为前（Front），位于分割平面后 的组成面设置状态为后（Back）。对于与分割面 相交的组成面，将其分成独立的两部分。 继续选取分割平面对之前的分离结果进行更细致 的分离，直至每个子区域只有一个组成面或包含 的组成面容易进行深度比较为止 最终形成一个二值状态的二叉树
sn
Zw
s n P
Yw
Lx
点光源
Lz
Ly
Xw
无限远光源
光源位置处于无限远处
入射光线平行：平面上任意一点的 入射角相同
模型参数：
光强 入射角
点光源
局部光源
用相关角度来模拟定向 光束的光照特征
模型参数：
位置 方向 光强 照射角
只有在光源照射范围之 内的空间点可以被光照 到
理想镜面反射
反射光与入射光位于表面法 向两侧
理想反射面而言：入射角＝ 反射角
观察者只有在反射方向上才 能看到反射光
反射光
非理想镜面反射
R
对一般的光滑表面，反射光集中在一
入射光 L
N
个范围内，
由反射定律决定的反射方向光强最大。
对于同一点来说，从不同位置所观察 到的镜面反射光强是不同的。
境光反射系数记为Ka 。
光照明方程（仅含环境光）：物体表面所呈现的亮度 Ie = KaIa
例如，透过厚厚云层的阳光就可以称为环境光。
Ka = 0.4
Ka = 0.8
反射模型
当光照射到物体表面时，光线可能被吸收、反射和透 射。
被物体吸收的部分转化为热， 反射、透射的光进入视觉系统，使我们能看见物体。 目前虚拟光照的研究主要针对物体对入射光的反射模型进行
角θ 的余弦成正比，即： Id Kd I p cos
其中，Kd 是漫反射系数（0～1之间的常数），与物 体表面性质有关；Ip 是入射光（光源）的光强；θ是入 射光的入射角，即入射光与物体表面法向量之间的夹角。
漫反射（续）
设物体表面在照射点 P 处的单位法向量为N，P 到点光源的单位向量为L，则上式可表达为如下的 向量形式：Id Kd I p ( N L)
速排序
视点1 A
P2
视点3
B P1
D 视点2
C 视点4
P1 Back
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A
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Cຫໍສະໝຸດ Baidu
（一）消隐技术
Weiler-Atherton算法
可见多边形裁剪 以位于最前面的景物表面为裁剪窗口，对后面的景物
进行裁剪，位于裁剪窗口之内的表面或表面的被遮挡 部分可以消去。位于窗口之外的表面组成外裁剪多边 形表，取表中位于最前面的表面为裁剪窗口，继续对 其他表面进行裁剪，直至外裁剪结果多边形表为空为 止。
镜面反射由于表面光滑的物体对入射光的反射形成的
对于理想镜面，反射光集中在一个方向，并遵守反射 定律。
对一般的光滑表面，反射光集中在一个范围内，且由 反射定律决定的反射方向光强最大。因此，对于同一 点来说，从不同位置所观察到的镜面反射光强是不同 的。
高光现象：镜面反射光在反射方向附近形成很亮的光 斑
多边形着色方法
均匀着色(Flat Shading) 光滑着色（Smooth Shading）
I Ie Id Is KaIa f (d )I p[Kd (L N ) Ks (V R)n ]
多个点光源：
m
I Ie Idi Isi i 1
m
KaIa
fi I p[Kd (Li N ) Ks (V Ri )n ]
i 1
Z缓冲区算法又称为深度缓存算法，不仅需要一个帧 缓冲区(Frame Buffer)来存放每个像素的亮度值，而且 还需要有一个Z缓冲区(Z Buffer)来存放每个像素的深 度值，即Z坐标。这正是Z缓冲区算法名称的来历。
Z Buffer的大小由屏幕显示分辨率决定
优点：
Z缓冲区算法排序灵活简单，有利于硬件实现。
从物体表面反射出来的光取决于光的成分、光源的几 何性质、物体表面朝向和表面性质等。由于物体表面 反射性质不同，可以将反射模型分为两类：
漫反射 镜面反射
漫反射
漫反射光可认为是光穿过物体表面 被吸收，然后重新发射出来的光。 漫反射光均匀的漫布在各个方向， 与观察者位置无关，从各个视角观 察都具有相同的亮度。
（一）消隐技术
表优先级算法（画家算 法）
优点：简单、易于实现， 并且可以作为实现更为 复杂算法的基础
缺点：只能处理互不相 交的面，而且深度优先 级表中的顺序可能出错
A
B
边界表示
画家算法之 先A后B
正确投影
画家算法之 先 B后A
只能把有关的面进行分割后再排序。增加了算法的 复杂度，因此，该算法使用具有一定的局限性
光照方程： Is I pKs cosn I pKs (V R)n
Ks是物体表面镜面反射系数，它与入射 角和波长有关； α 是视线与反射方向的夹角； n 为镜面高光系数，用来模拟镜面反射 光在空间中的汇聚程度，它是一个反映 物体表面光泽度的常数；
镜面高光系数 n的影响效果
N 入射光
视点 A
D
P2 B P1
C
Front
P1 Back
A,B
D,C
P1 Front
Back
P2
P2
Front
Back Front
Back
A
B
D
C
（一）消隐技术
BSP算法（Binary Space Partition）
是一种决定场景可见性的有效方法 与画家算法类似，也是从远到近往屏幕覆盖画面元素 适合在场景不变，视点变化的场合中对景物表面做快
（一）消隐技术
表优先级算法（画家算法）
1. 将屏幕置成背景色 2. 构造物体组成面的深度优先级表：把物体的各个面按
其离视点的远近进行排序，离视点远的在表头，离视 点近的在表尾 3. 由远到近进行绘制：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。这与油画家作画的过程类似， 先画远景，再画中景，最后画近景，因此将这种算法 称为画家算法。
的光反射作用，只用环境光(Ambient Light)来表示
Phong光照模型
由物体表面上点P反射到视点的光强I
=
环境光的反射光强 Ie
+理想漫反射光强Id
+镜面反射光Is
Phong光照模型
光的衰减
从光源到物体表面过程 中的衰减
从物体表面到人眼过程 中的衰减
L
反射光 R
N=10,30,50
n = 15
n=5
n=1
n 常规取值 5~20
光照效果比较
简单光照模型
简单光照模型
简单光照明模型模拟物体表面对光的反射作用。 光源被假定为点光源， 反射作用被细分为镜面反射(Specular Reflection)和
漫反射(Diffuse Reflection)。 模型只考虑物体对直接光照的反射作用，而物体间
（一）消隐技术
对象空间法
对象空间：三维场景的描述空间 对象空间法：在物体描述空间中，根据物体的
几何关系计算物体的哪些部分可见，其目的是 消去那些不可见的面或面的不可见部分 例如：以空间中的三维平面作为分析对象，通 过比较各平面的参数来确定它们的可见性
表优先级算法、BSP算法、Weiler-Atherton算 法
相关因素：
光源强度 物体朝向 物体表面反射系数
光照方程：
Id Kd I pcos
漫反射（Diffuse Reflection）
点光源：向周围所有方向发射等强度的光 漫反射光是由物体表面的粗糙不平引起的，它均匀地向
各个方向传播，与视点无关
漫反射光在空间均匀分布，反射光强 I 与入射光的入射
照射方向
点光源
光源的照射角
环境光
是指光源间接对物体的影响，是在物体和环境之间多 次反射，最终达到平衡时的一种光。
我们近似地认为同一环境下的环境光，其光强分布是 均匀的，它在任何一个方向上的分布都相同，即在任
何位置、任何方向上强度一样,记为Ia
在分布均匀的环境光照射下，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，环
真实感图形绘制技术
主要内容
消隐技术 光照模型 透明处理 阴影绘制 纹理映射
（一）消隐技术
通常，我们看一个3D物体，是不能一眼看到其全 部表面的，只能看到该物体表面上的部分点、线、 面，而其余部分则被这些可见部分遮挡住。
如果观察的是多个3D物体，则物体之间还可能彼 此遮挡而部分不可见。
（一）消隐技术
（一）消隐技术
Z-buffer算法（图像空间法）
算法思想：在图像投影空间中，用近点投影取代远点 投影。即对当前处理空间平面投影区域中的某一像素 点，比较该像素点的深度值与帧缓存中对应的已有像 素点的深度值大小，如果当前像素点的深度值较小， 则将当前像素的颜色值写入帧缓存，它的深度值写入 深度缓存
虚拟场景着色方案：
为物体每个表面赋予固定的颜色，无论怎样观察物体 其颜色保持不变
尽可能模拟光源与彩色表面相互作用的效果
计算机图形学中，采用光照模型来计算景物表面 上任一点投向观察者眼中的光亮度的大小和色彩 组成，生成具有真实感的图像
光照模型：用来计算投射到人眼中光亮度大小的 数学模型。
因此，如果想有真实感地显示3D物体，必须在视 点确定后，将对象表面上不可见的点、线、面消
去。执行这一功能的算法，称为消隐算法。
（一）消隐技术
三维网格模型将三维物体的表面分解为一 组空间多边形，消隐算法就是研究多边形 之间的遮挡关系。
按操作对象的不同，可分为两大类：
对象空间方法（Object Space Methods） 图像空间方法（Image Space Methods）。
如果有多个光源，则可以把各个光 源的漫反射光照效果进行叠加：
m
Id Kd I pi ( N Li ) i 1
环境光与漫反射光结合 方程： I I e I d I a K a I p K d ( L N )
例子：
镜面反射（Specular Reflection）
（一）消隐技术
图像空间法
图像空间：对象投影后所在的二维空间 图像空间法：是将对象投影后分解为像素，按
一定的规律，比较像素之间的深度值，从而确 定其是否可见
Z-buffer算法
几乎所有的消隐算法都涉及到排序问题。消隐算 法的基本思想是将物体上所有的点、线、面，按 照距视点的远近进行排序。一般来说，离视点较 远的物体，就有可能被离视点较近的物体完全或 部分遮盖。消隐算法的效率在很大程度上取决于 排序的效率
Phong模型特点分析
模型简单，便于实时绘制 是一个经验模型，可以达到一定的真实度 还具有以下的一些问题
用Phong模型显示出的物体像塑料，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