计算机图形学第八章-真实感图形生成技术PPT教学课件
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真实感图形生成技术涉及到的主要问题包括隐藏 线面的消除、明暗处理、阴影处理、纹理处理等， 缺乏这些处理，图形会缺乏真实感或真实感不足。
2020/10/16
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8.1 隐藏线面的消除 在用计算机生成三维图形时，形体的所有部分都将被
表示，不管是可见的还是不可见的，这样的图形显示出 来形状是不清楚的，甚至是不确定的。图1（a）所示是 一个通过棱边表示的立方体的图形，如果不消隐不易辨 别。通过适当删除不可见的隐藏部分，可以得到表示明 确的图形。图1（b）是观察点在立方体的前上方的消隐 图，图1（c）是观察点位于立方体的前下方消隐图，消 隐图表示了明确的立体感形体。
虽然各种消隐算法的基本思想有所不同，但它们大多
采用了排序和相关性以提高效率。排序的主要目的是区分 体、面、边、点与观察点间几何距离的远近。因为一个物 体离观察点愈远，它愈有可能被另一距观察点较近的物体 部分地或全部遮挡。消隐算法的效率在很大程度上取决于 排序的效率。通常利用画面在局部区域内的相关性来提高 排序过程的效率。
图1
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计算机图形学演示稿 纪玉波制作
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(C)
观察点确定后，找出并消除图形中不可见的部分，称 为消隐。经过消隐得到的图形称为消隐图。
消除隐藏线和隐藏面是计算机图形学中一个较为困难 的问题，消隐算法是决定相对于空间给定位置的观察者， 哪些棱边、表面或物体是可见的，哪些是不可见的。消隐 不仅与消隐对象有关，还与观察点、观察方向、投影面等 的设置方位有关。改变这些设置，物体上某些可见的部分 将会变成不可见，某些不可见的部分又会变成可见。
8.1.2 画家算法 画家创作一幅画的过程是先画背景，然后画中间
景物，最后才画近景。这样，每一层总是在前一层的 景物上覆盖，从而解决了隐藏面或可见性问题。采用 同样的技术，首先将形体的所有面根据它们与观察点 的距离排序，然后按距离递减顺序逐个将各面显示出 来，由于当重迭时，后显示的画面会覆盖先显示的画 面，这样就可以实现消除隐藏面的目的。这种隐藏面 消除算法通常称为画家算法。
图3
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(C)
设平面外法线同Z轴方向的夹角为β，则cosβ为单位平面 外法线矢量在Z轴上的分量。β角同可见性的关系为：
（1）当 0≤β≤90 时，cosβ＞0，此面背向观察者 为不可见面。
（2）当 ﹦90 时，cosβ﹦0，此面平行于Z轴，可以 认为是不可见面。
C x1 x0 x2 x1
y1 y0 y2 y1
(x1
x0 )( y2
y1) (x2
x1)( y1
y0 )
为了决定一个凸多面体的不可见面，对于每一个面按
上述公式进行计算，当C≥0时为不可见面。
对于单个凸多面体，该方法可判别出所有隐藏面，因
为每个面或是完全可见，或是完全不可见。对于其它形
8.1.1 凸多面体的消隐算法 在消隐问题中，凸多面体是最简单情形。凸多面体
是由多个凸多边形平面包围而成的立体，连接形体上不 属于同一表面的任意两点的线段完全位于形体的内部。 对于单个凸多面体，背向观察点的面是不可见面，如图 2所示。因此，只要判断出这些“朝后面”，即可达到 隐藏面消除的目的。
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图2
构成多面体的每个平面都有其法线。通常规定法 线的方向是由多面体的内部指向多面体的外部，称为 “外法线”。
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假定在右手坐标系中，观察点位于原点，投影面平行于XY 坐标平面，以Z轴作为深度坐标轴，视线平行于Z轴，如图 3所示，则平面外法线同Z轴方向的夹角，就是外法线同视 线的夹角。很显然，对于单个凸多面体，当外法线同视线 的夹角小于90°时，其平面背向观察点为不可见面。
（3）当 90≤β≤180 时，cosβ＜0，此面朝向观察 者的，为可见面。
设平面方程为 Ax+By+Cz+D=0
法向矢量为 N﹦Ai﹢Bj﹢Ck
则cosβ﹦C/|N|。作为判断依据，只需要知道cosβ的正负 号就够了。因为|N|恒大于 0，所以cosβ的符号由C决定， 因此，当C＜0 时，为可见面。当C≥0时，为不可见面。
画家算法也称表优先级算法或深度优先排序算法。 这种算法排序操作同时在对象空间和图象空间完成， 而在图象空间产生消隐图。实现时首先以深度优先级 进行排序，距观察点远的面优先级低，近的面优先级 高，以此建立一张深度优先级表。然后按优先级表顺 序将各面送入帧缓冲器进行显示。
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体，如凹多面体或由多个物体组成的复杂形体，则还需
进行更多的测试来检查是否存在被其它面或其它物体完
全或部分遮挡的表面。通常，凸多面体消隐处理可消除
一半左右的隐藏面。
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凸多面体消隐演示示例：
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由于三点可以构成一个平面，和三点可以构成两个
矢量，由两矢量的叉积可以求出平面的法线。对于凸多
面体，任取构成平面多边形的三个相邻点
P0(x0,y0,z0),P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2)，按右手规则确 定点的顺序，此时有：
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பைடு நூலகம்
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消隐算法一般可以分为两类。如果算法是在物体所 定义的空间实现，那么这种算法称为对象空间算法；如 果算法是在物体投影后的屏幕坐标空间实现，那么这种 算法就称为图象空间算法。一般说来，对象空间算法有 比较高的精度，而图象空间算法在精度上受屏幕分辨率 的限制，但可以方便地利用图象空间中各种相关性获得 较高的计算效率。
第八章 真实感图形生成技术
用计算机生成三维形体的真实感图形，是计算机 图形学研究的重要内容之一。真实感图形生成技术 在仿真模拟、几何造型、计算机动画制作、影视广 告、科学计算可视化、自然景物模拟、医学、气象 学、地质学等领域都有广泛应用。近几年来随着多 色彩高分辨率光栅图形设备的普及，真实感图形生 成技术发展迅速。
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8.1 隐藏线面的消除 在用计算机生成三维图形时，形体的所有部分都将被
表示，不管是可见的还是不可见的，这样的图形显示出 来形状是不清楚的，甚至是不确定的。图1（a）所示是 一个通过棱边表示的立方体的图形，如果不消隐不易辨 别。通过适当删除不可见的隐藏部分，可以得到表示明 确的图形。图1（b）是观察点在立方体的前上方的消隐 图，图1（c）是观察点位于立方体的前下方消隐图，消 隐图表示了明确的立体感形体。
虽然各种消隐算法的基本思想有所不同，但它们大多
采用了排序和相关性以提高效率。排序的主要目的是区分 体、面、边、点与观察点间几何距离的远近。因为一个物 体离观察点愈远，它愈有可能被另一距观察点较近的物体 部分地或全部遮挡。消隐算法的效率在很大程度上取决于 排序的效率。通常利用画面在局部区域内的相关性来提高 排序过程的效率。
图1
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观察点确定后，找出并消除图形中不可见的部分，称 为消隐。经过消隐得到的图形称为消隐图。
消除隐藏线和隐藏面是计算机图形学中一个较为困难 的问题，消隐算法是决定相对于空间给定位置的观察者， 哪些棱边、表面或物体是可见的，哪些是不可见的。消隐 不仅与消隐对象有关，还与观察点、观察方向、投影面等 的设置方位有关。改变这些设置，物体上某些可见的部分 将会变成不可见，某些不可见的部分又会变成可见。
8.1.2 画家算法 画家创作一幅画的过程是先画背景，然后画中间
景物，最后才画近景。这样，每一层总是在前一层的 景物上覆盖，从而解决了隐藏面或可见性问题。采用 同样的技术，首先将形体的所有面根据它们与观察点 的距离排序，然后按距离递减顺序逐个将各面显示出 来，由于当重迭时，后显示的画面会覆盖先显示的画 面，这样就可以实现消除隐藏面的目的。这种隐藏面 消除算法通常称为画家算法。
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设平面外法线同Z轴方向的夹角为β，则cosβ为单位平面 外法线矢量在Z轴上的分量。β角同可见性的关系为：
（1）当 0≤β≤90 时，cosβ＞0，此面背向观察者 为不可见面。
（2）当 ﹦90 时，cosβ﹦0，此面平行于Z轴，可以 认为是不可见面。
C x1 x0 x2 x1
y1 y0 y2 y1
(x1
x0 )( y2
y1) (x2
x1)( y1
y0 )
为了决定一个凸多面体的不可见面，对于每一个面按
上述公式进行计算，当C≥0时为不可见面。
对于单个凸多面体，该方法可判别出所有隐藏面，因
为每个面或是完全可见，或是完全不可见。对于其它形
8.1.1 凸多面体的消隐算法 在消隐问题中，凸多面体是最简单情形。凸多面体
是由多个凸多边形平面包围而成的立体，连接形体上不 属于同一表面的任意两点的线段完全位于形体的内部。 对于单个凸多面体，背向观察点的面是不可见面，如图 2所示。因此，只要判断出这些“朝后面”，即可达到 隐藏面消除的目的。
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构成多面体的每个平面都有其法线。通常规定法 线的方向是由多面体的内部指向多面体的外部，称为 “外法线”。
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假定在右手坐标系中，观察点位于原点，投影面平行于XY 坐标平面，以Z轴作为深度坐标轴，视线平行于Z轴，如图 3所示，则平面外法线同Z轴方向的夹角，就是外法线同视 线的夹角。很显然，对于单个凸多面体，当外法线同视线 的夹角小于90°时，其平面背向观察点为不可见面。
（3）当 90≤β≤180 时，cosβ＜0，此面朝向观察 者的，为可见面。
设平面方程为 Ax+By+Cz+D=0
法向矢量为 N﹦Ai﹢Bj﹢Ck
则cosβ﹦C/|N|。作为判断依据，只需要知道cosβ的正负 号就够了。因为|N|恒大于 0，所以cosβ的符号由C决定， 因此，当C＜0 时，为可见面。当C≥0时，为不可见面。
画家算法也称表优先级算法或深度优先排序算法。 这种算法排序操作同时在对象空间和图象空间完成， 而在图象空间产生消隐图。实现时首先以深度优先级 进行排序，距观察点远的面优先级低，近的面优先级 高，以此建立一张深度优先级表。然后按优先级表顺 序将各面送入帧缓冲器进行显示。
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体，如凹多面体或由多个物体组成的复杂形体，则还需
进行更多的测试来检查是否存在被其它面或其它物体完
全或部分遮挡的表面。通常，凸多面体消隐处理可消除
一半左右的隐藏面。
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凸多面体消隐演示示例：
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由于三点可以构成一个平面，和三点可以构成两个
矢量，由两矢量的叉积可以求出平面的法线。对于凸多
面体，任取构成平面多边形的三个相邻点
P0(x0,y0,z0),P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2)，按右手规则确 定点的顺序，此时有：
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消隐算法一般可以分为两类。如果算法是在物体所 定义的空间实现，那么这种算法称为对象空间算法；如 果算法是在物体投影后的屏幕坐标空间实现，那么这种 算法就称为图象空间算法。一般说来，对象空间算法有 比较高的精度，而图象空间算法在精度上受屏幕分辨率 的限制，但可以方便地利用图象空间中各种相关性获得 较高的计算效率。
第八章 真实感图形生成技术
用计算机生成三维形体的真实感图形，是计算机 图形学研究的重要内容之一。真实感图形生成技术 在仿真模拟、几何造型、计算机动画制作、影视广 告、科学计算可视化、自然景物模拟、医学、气象 学、地质学等领域都有广泛应用。近几年来随着多 色彩高分辨率光栅图形设备的普及，真实感图形生 成技术发展迅速。