计算机图形学 第五章 真实感图形 (5)
计算机图形学第五次实验报告
《计算机图形学》实验报告实验十一真实感图形一、实验教学目标与基本要求初步实现真实感图形, 并实践图形的造型与变换等。
二、理论基础运用几何造型, 几何、投影及透视变换、真实感图形效果（消隐、纹理、光照等）有关知识实现。
1.用给定地形高程数据绘制出地形图；2.绘制一(套)房间，参数自定。
三. 算法设计与分析真实感图形绘制过程中, 由于投影变换失去了深度信息, 往往导致图形的二义性。
要消除这类二义性, 就必须在绘制时消除被遮挡的不可见的线或面, 习惯上称之为消除隐藏线和隐藏面, 或简称为消隐, 经过消隐得到的投影图称为物体的真实图形。
消隐处理是计算机绘图中一个引人注目的问题, 目前已提出多种算法, 基本上可以分为两大类：即物体空间方法和图象空间方法。
物体空间方法是通过比较物体和物体的相对关系来决定可见与不可见的；而图象空间方法则是根据在图象象素点上各投影点之间的关系来确定可见与否的。
用这两类方法就可以消除凸型模型、凹形模型和多个模型同时存在时的隐藏面。
1).消隐算法的实现1.物体空间的消隐算法物体空间法是在三维坐标系中, 通过分析物体模型间的几何关系, 如物体的几何位置、与观察点的相对位置等, 来进行隐藏面判断的消隐算法。
世界坐标系是描述物体的原始坐标系, 物体的世界坐标描述了物体的基本形状。
为了更好地观察和描述物体, 经常需要对其世界坐标进行平移和旋转, 而得到物体的观察坐标。
物体的观察坐标能得到描述物体的更好视角, 所以物体空间法通常都是在观察坐标系中进行的。
观察坐标系的原点一般即是观察点。
物体空间法消隐包括两个基本步骤, 即三维坐标变换和选取适当的隐藏面判断算法。
选择合适的观察坐标系不但可以更好地描述物体, 而且可以大大简化和降低消隐算法的运算。
因此, 利用物体空间法进行消隐的第一步往往是将物体所处的坐标系转换为适当的观察坐标系。
这需要对物体进行三维旋转和平移变换。
常用的物体空间消隐算法包括平面公式法、径向预排序法、径向排序法、隔离平面法、深度排序法、光线投射法和区域子分法。
计算机图形学-真实感图形显示
隐藏面的消除-画家算法 （2/4）
v 基本思想
画家消隐算法
{
对场景中的多边形按深度进行排序， 形成深度优先级队列； 按从远到近的顺序显示多边形；
}
v 也称优先级表算法
哈尔滨工业大学计算机学院 苏小红
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隐藏面的消除-画家算法 （3/4）
v 基本步骤
生成深度优先级队列
v据视点距离远的多边形优先级低，排在队列的前端 v据视点距离近的多边形优先级高，排在队列的后端
4)比较CP与Pin的深度，检查CP是否真正离视点最近
是，则CP为可见表面 不是，则取Pin为新的CP，重复步骤3)
5)将位于CP之外的景物表面组成外裁剪结果多边形表
取表中深度最大的表面为CP，重复步骤3)
6)递归进行直到外裁剪结果多边形表为空时为止
哈尔滨工业大学计算机学院 苏小红
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隐藏面的消除- BSP树算法（1/2）
v BSP树算法
Binary Space Partitioning 景物空间消隐算法 基于BSP树，对景物表面进行二叉分类 与画家算法类似，景物多边形由远至近绘制
v 特别适合的场合
场景中物体位置固定不变、仅视点移动
哈尔滨工业大学计算机学院 苏小红
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隐藏面的消除-BSP树算法（2/2）
v 基本步骤
选一剖分平面P1，将场景空间分割成 两个半空间
剖分结果表示为一棵BSP树
v 叶节点：景物 v 左分支：位于剖分平面前面的景物 v 右分支：位于剖分平面后面的景物
依据视点位置，对子空间进行分类
v 包含视点的子空间标识为“front” v 另一侧子空间标识为“back”
递归搜索该BSP树，优先绘制标识为
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）题目内容说明：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。
具体要求实现功能：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内容之一，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。
计算机图形学_PPT完整版
图形软件主要类型
3. 专用图形软件包 针对某一种设备或应用，设计/配置专用的图形 生成语言或函数集，例如： 场景描述：Open Inventor 建立虚拟世界的三维模型：VRML 生成三维Web显示：Java3D 创建Java applet中的二维场景：Java 2D 生成各种光照模型下的场景：Renderman Interface（Pixar）……
图元的绘制、显示过程
顶点
法向量、颜色、纹理…
像素
图元操作、像素操作 光栅化（扫描转换）
像素信息 帧缓存 显示器
调用底层函数，如 setPixel (x,y)；将当 前像素颜色设定值存 入帧缓存的整数坐标 位置（x,y）处。
图元描述与操作
几何图元由一组顶点（Vertex）描述 这一组顶点可以是一个或是多个。每个顶点信息二维或 三维，使用 2~4 个坐标。顶点信息由位置坐标、颜色 值、法向量、纹理坐标等组成。 图元操作： 几何变换、光照、反走样、消隐、像素操作等，然后准 备进行光栅化处理。 扫描转换或光栅化（Rasterization ） 将对象的数学描述、颜色信息转换成像素信息（像素段 写入帧缓存），送到屏幕显示。
应用程序
图形应用程序
图形语言连接 外部应用 数据库 内部应用 数据库 API GKS/GKS 3D PHIGS OpenGL
图形编程软件包，如OpenGL、 VRML、Java2D、Java3D……
GKSM
图形设备驱动程序，如显卡驱动、 打印机/绘图仪驱动…… 支持图形处理的操作系统,如 Macintosh、Windows、Unix、 Linux 、各种嵌入式OS…… 图形输
计算机图形软件的标准化意义
可移植性 通用、与设备无关 推动、促进计算机图形学的推广、应用 资源信息共享
计算机图形学(真实感图形的显示)课件
科学家使用计算机图形学来呈现复杂的数据和模拟结果，帮助人们更好地理解科学概念。
科学可视化
02
CHAPTER
真实感图形的显示技术
纹理映射是一种将二维图像映射到三维表面上的技术，以增加物体的表面细节和真实感。
通过纹理映射，可以模拟出物体的表面纹理、质地和图案，如砖块、木材、石材等。
纹理映射还可以用于实现环境贴图、反射贴图等高级效果，以增强场景的真实感。
计算机图形学(真实感图形的显示)课件
目录
计算机图形学简介真实感图形的显示技术3D模型的构建与渲染实时渲染技术未来展望
01
CHAPTER
计算机图形学简介
01
02
03
计算机图形学用于创建逼真的特效和虚拟场景，为电影和游戏提供视觉上的吸引力。
电影和游戏制作
通过计算机图形学，建筑师可以创建三维模型，进行可视化设计和分析。
03
CHAPTER
3D模型的构建与渲染
一款专业的3D建模和渲染软件，广泛应用于游戏开发、电影制作和广告设计等领域。
3D Studio Max
Blender
Maya
开源的3D图形软件，具备建模、动画、渲染和后期制作等功能。
高端的3D动画软件，适用于电影、电视和游戏开发等领域。
03
02
01
定义模型的表面属性，如颜色、光泽度和纹理等。
材质
为模型添加纹理和细节，使其表面更加逼真。
贴图
通过调整材质和贴图的参数，使模型呈现出更加真实的效果。
材质与贴图的结合
骨骼系统
为模型添加骨骼，并设置骨骼的关节和运动范围。
04
CHAPTER
实时渲染技术
实时渲染技术是一种计算机图形学技术，它能够实时生成具有真实感的图形。
真实感图形显示的基本流程和坐标系
真实感图形显示的基本流程和坐标系下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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计算机图形学 第五章 真实感图形 (1)
m
矢量积形式
I K a I a I i ( K d ( N , L) k s ( N , H ) )
n i 1
m
20
Phong模型
Phong模型的光照明效果（Utah Teapot）
21
Whitted整体光照明模型
局部光照明模型的局限
仅考虑从光源直接发出的光线对物体表面光亮度的 贡献 没有考虑光线在物体之间的相互反射和透射 可模拟现实世界中 景物表面之间的 镜面反射和透射 现象
镜面反射和规则透射示例
24
Whitted整体光照明模型
Whitted整体光照明模型
I I c k s I s kt I t
Ic：由光源直接照射在表面上引起的反射光亮度 Is：沿V的镜面反射方向r入射到表面上的环境光在表面上产生的 镜面反射光 It：沿V的规则透射方向t入射到表面上的环境光通过透射在表面 上产生的规则透射光 ks：表面的镜面反射率 kt：表面的透射率
8
Lambert漫反射模型
漫反射光是物体表面对入射光线朝各个方向的 均匀反射
大小只与入射光的光亮度和入射方向有关 与漫反射光的反射方向无关
光源 N
均匀反射的光线
9
Lambert漫反射模型
漫反射光亮度和光源入射角（入射光线和表面 法向量的夹角）的余弦成正比
I d K d I e cos
Whitted模型：整体光照明模型
22
Whitted整体光照明模型
假设从某一观察方向V所观察到的物体表面某点 P的光亮度的贡献来自于三个方面：
《真实感图形》课件
谢谢您的聆听
THANKS
通过表面细节模拟，可以模拟出物体表面的微观纹理和结构，如皮肤毛孔、金属划痕等，进一步提高 图形的真实感。
03
真实感图形的制作流程
建模阶段
3D模型创建
使用三维建模软件（如Blender、3ds Max等）创建物体模型。
细节处理
对模型进行细节调整，包括平滑表面、修 复错误等。
模型优化
简化模型结构，降低多边形数量，以提高 渲染效率。
案例三：建筑物的真实感表现
总结词：细节丰富
详细描述：该案例展示了如何使用计算机图 形技术来创建具有高度真实感的建筑物模型 。通过精细的模型构建、纹理映射和光照模 型，再现了建筑物的每一个细节，包括砖石 纹理、窗户结构、阴影效果等，使建筑物看 起来更加生动和真实。同时，还探讨了如何 将建筑物与周围环境相结合，营造出更加逼
高级渲染技术应用
使用全局光照、光线追踪等高级渲染技术 ，增强真实感。
后期处理阶段
01
02
03
图像合成
将渲染出的图像与背景进 行合成，以形成完整的场 景。
色彩校正
调整图像的色彩、亮度等 ，使图像更加自然。
特效添加
根据需要添加一些特效， 如景深、运动模糊等，以 增强画面表现力。
04
真实感图形的挑战与未来发展
材质与贴图阶段
材质设定
为模型设定合适的材质属 性，如颜色、光泽度、纹
理等。
纹理贴图
为模型添加纹理贴图，以 增加表面细节和质感。
贴图调整
调整纹理贴图的尺寸、角 度和偏移，使其与模型表
面匹配。
光照与渲染阶段
灯光设置
根据场景需求设置合适的光源，包括主光 源、辅助光源等。
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-真实感图形生成技术
投射阴影又分为：本影和半影 1、本影
物体影子中间全黑的轮廓分明部分是本影。本影是没有 被光源照射部分。 2、半影
本影周围半明半暗部分是半影，半影是一部分被光源照 射，一部分未被光源照射。本影计算复杂，一般只考虑半 影计算。
计算机图形学
6.4.2 自身阴影生成方法
生成过程如下：
（l）首先将视点置于光源位置，以光线照射方向作为观察 方向，对在光照模型下的物体实施消隐算法，判别出在光 照模型下的物体的“隐藏面”并在数据文件中加以标识； （2）然后按实际的视点位置和观察方向，对物体实施消隐 算法，生成真正消隐后的立体图形；
计算机图形学
二、真实感图形应用
1、产品外形设计
2、飞行驾驶模拟训练
3、动画制作、城市规划、医学气象等
三、真实感图形特点
1、反映物体表面颜色和亮度
2、表现物体质感
3、能通过光照下物体的阴影， 改善场景的深度感和层次感
4、能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜像
效果
计算机图形学
四、影响真实感图形因素 1、物体本身形状 2、物体表面特征：材质、感光度，纹理等 3、照射物体光源 4、物体与光源相对位置 5、物体周围环境
我们视觉效果是反射光和透视光。
计算机图形学
下面讨论不包含透射光的简单光照模型。
假设物体不透明，那么物体表面呈现的颜色仅由其反射光 决定，通常人们把反射光考虑成三个分量的组合，这三个 分量分别是：
环境反射 漫反射 镜面反射
计算机图形学
6.2.1 环境反射光 环境反射光是由于邻近物体所造成的光多次反射所产生
m
I I K I pi (Kd cosi Ks cosn i ) i 1
这就是简单光照模型。
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改进的SGI三角形带生成方法
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网格压缩传输技术
由三角形带/三角形扇/三角形混合表示的物体 示例
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遮挡剔除技术
在对场景作取景变换之前剔除场景中对于当前 视点不可见的某些物体的整体或局部，从而加 速场景的绘制
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遮挡剔除技术
为实现遮挡剔除，需要首先对物体进行可见性 检查
物体的可见性检查一般在场景数据组织阶段由计算 机CPU计算完成，不涉及到图形硬件 针对当前视点，预计算其可 能可见的所有面片的集合
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美术绘制
对传统的绘画风格，如油画、水彩画、蜡笔画 等进行模拟
基于物理的方法（physical simulation） 自动绘画（automatic painting）方法
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IBR技术
全景相机拍摄的全景图
21
IBR技术
22
IBR技术
优点
无需进行复杂的场景几何造型即可实现对场景的浏 览、漫游 绘制计算量与场景的几何复杂度无关，而仅与所需 绘制的画面分辨率有关 仅适用于静态场景，用户无法与场景中的景物进行 实时交互 绘制质量在很大程度上取决于原始图像的采样数目 和相应的插值方法
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非真实感图形绘制技术
非真实感图形绘制已逐渐成为计ealistic Rendering，简称NPR，又称风 格绘制（Stylistic Rendering） 画面不具有照片真实感， 而呈现手绘风格 始于一九九〇年代
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NPR主要特点
表现出艺术特质
关键
如何充分发挥图形硬件和图形算法各自长处，在绘 制速度和图形质量之间取得平衡
3
图形绘制流水线
常用三维图形绘制由一系列顺序的过程组成， 这些过程已可部分或全部采用硬件实现，它们 连接在一起称为图形绘制流水线 三维图形绘制流水线一般分为五个阶段
场景描述 图形变换 扫描处理 绘制/光栅化 屏幕显示
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LOD技术
网格简化操作示例：边塌陷(Edge Collapse)
通过将两个点变为一个点来删除一条边 对体模型来说，该操作删除2个三角形、3条边和1个 顶点 过程可逆，通过顺序存储操作信息，可以从简化模 型重构出复杂模型
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LOD技术
网格简化操作示例：边塌陷(Edge Collapse)
4
实时绘制技术
图形硬件、硬件驱动程序、图形API及应用程序 间的关系
应用程序（游戏、CAD、虚拟现实等）
API (OpenGL、Direct3D 等)
硬件驱动程序
3D 加速硬件
5
常用实时绘制技术
细节层次（LOD）技术 网格压缩传输技术
遮挡剔除技术
基于图像的绘制（IBR）技术
6
LOD技术
33
素描
一种富有表现力的信息交流方式 已渗透到现实生活的许多方面
34
素描
绘制算法大体上可分为两类
轮廓绘制（Silhouette Rendering）算法 画影线（hatching）算法
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卡通绘制
在强调物体轮廓的同时，利用明暗处理模型（ 通常为flat明暗处理），并结合物体材料颜色、 阴影颜色等刻画物体外形、光效等
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实时光线跟踪
OpenRT应用示例（cont.)
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实时光线跟踪
OpenRT应用示例（cont.)
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实时光线跟踪
OpenRT应用示例（cont.)
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实时光线跟踪
OpenRT DEMO VIDEO (DivX, 79Mb )
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主要内容
引言 光照明模型 多边形物体的明暗处理 光线跟踪算法 纹理映射 辐射度方法 实时绘制技术 非真实感图形绘制技术
对所需绘制的场景或物体加以抽象，去除不必要表 现的冗余信息 以艺术家的眼光，而不是仅仅从编程者的角度，来 表现现实世界
像人类艺术作品一样，具有不同的风格、品味 ，也包含类似的缺陷或不完美之处 真实感图形的有效补充
32
非真实感图形绘制技术
主要分类
素描（Sketching） 卡通绘制（Cartoon Rendering） 美术绘制（Painterly Rendering） …
操作前的图形
u塌陷到v，删除了 三角形A和B及边uv
10
LOD技术
示例：由网格简化生成的飞机的三个细节层次 表示
11
网格压缩传输技术
场景绘制的速度受到场景中三角形数目的制约 ，在绘制一个三角形时，必须将其全部三个顶 点的信息传送到图形硬件 为避免同一顶点信息的重复传送，大多数图形 API均采用三角形带和三角形扇等复合三角形结 构进行传输，以充分利用图形硬件的有限带宽
细节层次模型是以不同精度刻画物体几何细节 的一组模型 基本思想
根据物体在画面上的 视觉重要性选取适当 细节层次绘制该物体
7
LOD技术
自动生成物体的细节层次表示是细节层次技术 的重要研究内容 一般地，物体的细节层次表示可由网格简化算 法来完成
基于一定误差度量准则，通过几何元素删除操作删 除复杂几何中相对于物体外观而言次要的几何元素 重新对物体进行较低精度的采样，以生成物体的较 低精度的细节层次表示 有的能保持物体的拓扑结构不变，有的不能
真实感图形
授课教师：
单位：
主要内容
引言 光照明模型 多边形物体的明暗处理 光线跟踪算法 纹理映射 辐射度方法 实时绘制技术 非真实感图形绘制技术
2
实时绘制技术
利用计算机快速生成三维场景的真实感图形
与图形硬件发展和人们对人机交互的需求密不可分 图像绘制的速度采用帧频（单位为帧/秒）来衡量
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网格压缩传输技术
采用类似于三角形带或三角形扇这样的复合结 构，将把处理与传输m个三角形的代价从3m个 顶点降到（m＋2）个顶点 如果应用程序的瓶颈为填充率时，很难使用这 种方法提高系统性能
填充率：每秒可填充的像素数量
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网格压缩传输技术
给定一个任意的三角形网格，最好能快速、高 效地将其分解为三角形条带 给定任意的三角形网格，如何获得最优的三角 形条带问题已被证明为NP完全问题，必须使用 启发式方法获得最接近的条带数目 已有多种方法可自动生成三角形带
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缺点
实时光线跟踪
实时光线跟踪已经成为可能
计算机计算速度的快速提升、图形硬件处理能力的 高速发展以及计算机网络技术的成熟
光线跟踪在灵活性、连贯性、并行性、遮挡剔 除、着色效率与质量等方面均有较大的优势
与传统的基于图形绘制流水线的光栅化算法相比
OpenRT简介
24
实时光线跟踪
OpenRT应用示例
12
网格压缩传输技术
三角形带（Triangle Strips）
n个顶点的顺序三角形定义为 顶点序列：{v1,v2,…vn},其中 三角形i为Δvivi＋1vi＋2
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网格压缩传输技术
三角形扇（Triangle Fans）
n个顶点的顺序三角形定义为 顶点序列：{v1,v2,…vn},其中 三角形i为Δv1vi＋1vi＋2
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IBR技术
以待绘制的场景的一系列二维图像作为输入， 通过将其画面像素重新整合来生成在新的视点 和新的视线方向上的场景画面 前身是环境映射技术 QuickTime VR系统简介
场景漫游系统
/quicktime/technologies/qtvr/