真实感图形生成

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1、计算机图形学高级话题--真实感图形生成讲授主要内容：引言消隐真实感图形的绘制实时真实感图形学技术总结引言对于场景中的物体、要得到它的真实感图形，就要对它进行透视投影，并消除隐藏面，然后计算可见面的光照明暗效果，最后在计算机中绘制出让观察者有身临其境感觉的图形.真实感图形的绘制步骤1.场景造型采用数学方法建立三维场景的几何描述并输入到计算机。2.视域裁剪、消除隐藏面确定景物中的所有可见面，将视域之外或其它景物遮挡的不可见面消除。3.取景变换、透视投影将三维几何描述转换为二维透视图的内容。4.绘制真实感

2、图形根据一定的光照模型和光强度计算，将其转换为适合图形设备的颜色值，生成投影画面上每个像素的光强度，让观察者产生身临其境的感觉。消隐消隐的概念消隐算法分类消隐算法深度缓存器算法区间扫描线算法深度排序算法区域细分算法光线投射算法BSP树算法多边形区域排序算法消隐的概念用计算机生成三维物体的真实图形，在用显示设备描述物体的图形时，必须把三维信息经过某种投影变换，在二维的显示表面上绘制出来。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，习惯上称作

3、消除隐藏线和隐藏面，或简称为消隐。消隐实例消隐实例物体的线框图经消隐处理后的图形消隐算法分类按其实现方式分为：图像空间消隐算法图像空间(屏幕坐标系)消隐算法以屏幕像素为采样单位，确定投影于每一个像素的可见景物表面区域，并将其颜色作为该像素的显示颜色。如深度缓冲器算法、A缓冲器算法、区间扫描线算法等。景物空间消隐算法直接在景物(观察坐标系)中确定视点不可见的表面区域，并将它们表达成同原表面一致的数据结构。如BSP算法、多边形区域排序算法等。介于二者之间的算法，如深度排序算法、区域细分算法、光线投射算法

4、等。排序：各景物表面按照距离视点远近排序，排序结果用于确定消隐对象之间的遮挡关系。连贯性：连贯性是指所考察的物体或视区内的图像局部保持不变的一种性质，用于提高排序效率。基本的原则9.1深度缓存器算法（Z-buffer）基本原理帧缓存：保存各像素点的颜色。Z缓存：保存屏幕坐标系上各像素点所对应的深度值。深度缓存器算法（Z-buffer）图9.1深度缓存器算法的原理观察方向：Z轴负向深度缓存器算法（Z-buffer）算法步骤初始化：把Z缓存中各(x,y)单元置为z的最小值，而帧缓存各(x,y)单元置为背

5、景色。在把物体表面相应的多边形扫描转换成帧缓存中的信息时，对于多边形内的每一采样点(x,y)进行处理：计算采样点(x,y)的深度z(x,y)；如z(x,y)大于Z缓存中在(x,y)处的值，则把z(x,y)存入Z缓存中的(x,y)处，再把多边形在z(x,y)处的颜色值存入帧缓存的(x,y)地址中。如何计算采样点(x,y)的深度z(x,y)。假定多边形的平面方程为：Ax+By+Cz+D=0。深度缓存器算法（Z-buffer）图9.2利用扫描线的连贯性加快深度的计算深度缓存器算法（Z-buffer）扫描线

6、上所有后继点的深度值：当处理下一条扫描线y=y-1时，该扫描线上与多边形相交的最左边（x最小）交点的x值可以利用上一条扫描线上的最左边的x值计算：深度缓存器算法（Z-buffer）扫描线深度缓存器算法：增加多边形表深度缓存器算法（Z-buffer）优点简单便于硬件实现缺点占用太多的存储单元在实现反走样、透明和半透明等效果方面有困难深度缓存器算法（Z-buffer）避免对被遮挡区域的采样是进一步提高扫描线算法计算效率的关键。图9.3区间扫描线算法原理9.2区间扫描线算法算法三张表：边表、多边形表、有效

7、边表。分割子区间，确定子区间上的唯一可见面。图9.4扫描线子区间区间扫描线算法特殊情形贯穿情形：为了使算法能处理互相贯穿的多边形，扫描线上的分割点不仅应包含各多边形的边与扫描线的交点，而且应包含这些贯穿边界与扫描线的交点。循环遮挡：将多边形进行划分以消除循环遮挡。区间扫描线算法图9.5多边形贯穿和循环遮挡的情形算法原理：算法约定距视点近的优先级高，距视点远的优先级低。生成图像时，优先级低的多边形先画，优先级高的多边形后画。这样，后画的多边形就会将先画的多边形遮挡住，从而达到消隐的效果。算法的关键是多

8、边形排序。9.3深度排序算法（画家算法）算法原理：考察投影平面上的一块区域，如果可以很“容易”地判断覆盖该区域中的哪个或哪些多边形是可见的，则可按这些多边形的光照属性和几何位置计算确定子区域内各像素的显示颜色；否则就将这块区域细分为若干较小的区域，并把上述推断原则递归地应用到每个较小的区域中去。9.4区域细分算法多边形的分类图9.6多边形的投影与考察区域之间的关系区域细分算法可见性测试1、所有多边形均是该区域的分离多边形，于是可直接将该区域中的所有像素点置为背景颜色。