第八章真实感图形显示基础-Read

：C≤0，即可判定它为一后向面。 – 对于单个物体，只须检查其所在平面的平面参数C，即可迅速判
N=(A,B,C)
别出所有的后向面。对于单个凸多面体，该测试方法可判别出物 体的所有隐藏面。另外，若场景中只包含一些互不覆盖的凸多面 体，则也找出所有的隐藏面。 – 对于其它物体，则还需进行更多的测试来检查是否仍存在被其它 面完全或部分遮挡的物体表面。另外，要检查场景中是否有在视
– 此外，光照效果包括透明性、表面纹理和阴影等，不同 形状、颜色、位置的光源可以为一个场景带来不同的光 照效果,各种效果处理也是真实感图形显示中所不可缺少 的技术。
• 本章将介绍真实感图形的基础理论和方法，包括面消 隐的基本方法、基本的光照模型及多边形绘制、表面 细节、阴影、透明及整体光照等效果处理技术。
• 本章介绍应用于三维场景中的最常用的一些可见面判别算法。
连贯性及其类别 后向面判别算法 深度缓冲器算法
A缓冲器算法
扫描线算法 深度排序算法
BSP树算法 区域细分算法
八叉树算法 光线投射算法
曲面可见性 线框可见性
连贯性及其类别
• 虽然各种可见面判别算法的基本思想各不相同，但它们大多采用了排序和连贯 性方法来提高效率。将场景中的物体表面根据它们与观察平面的距离进行排序 可加速深度比较，而连贯性则充分利用场景的规则性特征。
– 物体连贯性：如果物体A与物体B是相互分离的，那么在消隐时，只需要比较A、B两 物体之间的遮挡关系就可以了，而不需要对它们的表面多边形逐一进行测试。
– 面的连贯性：一张面内的各属性值一般是缓慢变化的允许采用增量的形式对其进行计 算。
– 区域连贯性：一个区域是指屏幕上一组相邻的像素，它们通常为同一个可见面所占据 ，可见性相同。区域连贯性表现在一条扫描线上即为扫描线上的每个区间内只有一个 面可见。
真实感图形显示基础
真实感图形显示问题
• 真实感图形是一种计算机图形生成技术，它首先在计算机 中构造出所需场景的几何模型，然后根据假定的光照条件， 计算画面上可见的各景物表面的光亮度，使观者身临其境， 如见其物的视觉效果。基于这项技术，
– 设计人员可以在设计图纸时就可以浏览产品的形状和结构； – 考古工作者可以跨越时空隧道，在古代宫殿中漫游； – 探险家不必乘坐宇宙飞船就可以领略太空的美景。
– 场景中的各个物体表面单独进行处理，且在各面片上逐点进行。该方法通常应用于只包 含多边形面的场景，因为这些场景适于很快地计算出深度值且算法易于实现。当然，该 算法也可应用于非平面的物体表面。
• 近二十年来，真实感图形技术一直是计算机图形学研究的 前沿领域，尤其是随着虚拟现实、科学可视化、高科技电 影、电视广告和电子游戏等多媒体应用的不断涌现和发展， 真实感图形已越来越深入到人们日常生活和工作中。真实 感图形技术也已成为一门相对独立的学科。
《计算机图形学》教案
孙正兴 博士
内容提要
• 由于真实感图形系统最终生成的是一幅能在显示设备 上的彩色图象，因而真实感图形的绘制效果依赖于对 景物颜色的准确表达。
• 若将物体描述转换至投影坐标系中，且观察方向平行于观察坐标系中
V
ZV轴，则V=(0,0,Vz)，且V·N=VzC，因此，只须考查法向量N的Z分量 C的符号。沿ZV轴反向观察的右手观察系统中，若C<0，则该多边形 为一后向面。同时，无法观察到法向量的Z分量C=0的所有多边形面(
因观察方向与该面相切)。这样，一旦某多边形面的法向量的Z分量值
后向面判别算法
• 判别多面体后向面的物空间算法可以内外测试为基础。 – 若一内点位于视点和一多边形面之间，则该多边形必为后向面。 N=(A,B,C)
• 通过考查多边形面的法向量N(A,B,C)可简化测试。
观察向量V 与后向面的 法向量N
– 设V为由视点出发的观察向量，若V·N>0，该多边形为后向面。
• 判别可见面与隐藏面之间有细微的差别。例如，对线框图形可能仅仅希望用虚线 轮廓或其它方式来显示隐藏面而不消除它们，以便保留物体的外形特征。可见面 判别算法通常是根据其处理场景时是直接对物体定义进行处理还是处理它们的投 影图象而分成物空间算法和象空间算法。物空间算法将场景中的各物体和物体各 组成部件相互进行比较，以判别出哪些面可见；而象空间算法则在投影平面上逐 点判断各象素所对应的可见面。
– 扫描线连贯性：一根扫描线可能包含相同强度象素的段，且相邻扫描线之间的图案变 化很小。
– 深度连贯性：同一表面上的相邻部分深度是相近的，而占据屏幕上同一区域不同表面 的深度不同。这样在判别表面间的遮挡关系时，只需取其上一点计算出深度值，比较 该深度值便能得出结果。
– 此外，动画中的各帧间仅在运动物体的相邻区域内有差异，而通常可以建立起场景中 物体与场景表面之间的稳定的联系。
Yv Xv
V
Zv 在 一 个 沿 ZV 负 轴 方向观察的右手观
线方向完全重合的物体。然后，进一步检查被遮挡物体的哪些部 分被其它物体所覆盖。通常，后向面消隐处理可消边形面 必为后向面
深度缓冲器算法(Z-buffer算法)
• 深度缓冲器算法是较常用的判定物体表面可见性的象空间算法，其基本思想是将 投影平面上每个象素所对应的面片深度进行比较，然后取最近面片的属性值作为 该象素的属性值。由于通常沿着观察系统的Z轴来计算各物体距观察平面的深度， 故也称为Z-buffer算法。
– 而在生成真实感图形时考虑最多的是如何判别出从某一 特定观察位置所能看到的场景中的内容，可见面的判别 是真实感图形生成中一个不可缺少的内容。
– 光照明模型(光照模型或明暗模型)主要用于物体表面某点 处的光强度的计算，面绘制算法是通过光照模型中的光 强度计算来确定场景中物体表面的所有投影象素点的光 强度。
可见面判别 基本光照模型 多边形面绘制 整体光照模型 基本效果处理 真实感处理流程
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思考题
《计算机图形学》教案
孙正兴 博士
可见面判别
• 在生成真实感图形时需考虑如何判别出从某一特定观察位置所能看到的场景中的 内容。为特定应用背景选择算法时应考虑场景复杂度、待显示物体的类型、显示 设备及最终画面是静态还是动态等因素。这些算法通常称为可见面判别算法，有 时也称为隐藏面消除算法。