第七章 真实感图形显示_m

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1、第七章真实感图形显示7.1线消隐7.2面消隐7.3光照模型7.4光线跟踪7.5表面图案与纹理7.6颜色空间真实感图形绘制：借助数学、物理、计算机等学科的知识在计算机二维显示屏上产生三维场景的真实逼真图像、图形应用：计算机辅助设计、多媒体教育、虚拟现实系统、科学计算可视化、动画制作、电影特技模拟、计算机游戏等一.为什么要消隐？因为计算机图形处理的过程中，不会自动消去隐藏部分，相反会将所有的线和面都显示出来所以：如果想有真实感地显示三维物体，必须在视点确定之后，将对象表面上不可见的点、线、面消去。执行这种功能的算法，称为消隐算法例如：基本概念没有消隐的图形具有二义性：(a)立方体的线框图；(b)顶

2、点B离视点最近时的消隐；(c)顶点C离视点最近时的消隐BC消隐的对象是三维物体消隐结果与观察物体有关，也与视点有关线框图消隐图真实感图形如图所示，由于视点的位置不同，物体的可见部分也不同：BCADE1E2消隐与观察者的位置关系7.1.1消隐的分类线消隐(Hidden-line)对象：线框模型面消隐(Hidden-surface)对象：填色图线框模型填色图线消隐是以场景中的物体为处理单元，将一个物体与其余的k－1个物体逐一比较，仅显示它可见的表面以达到消隐的目的此类算法通常用于消除隐藏线假定场景中有k个物体，平均每个物体的表面由h个多边形构成，其计算复杂度为O((kh)2)算法描述如下：for(

3、场景中的每一个物体){将该物体与场景中的其它物体进行比较，确定其表面的可见部分；显示该物体表面的可见部分；}（示例如右图）线消隐示例面消隐是以窗口内的每个像素为处理单元，确定在每一个像素处，场景中的物体哪一个距离观察点最近（可见的)，从而用它的颜色来显示该像素。此类算法通常用于消除隐藏面若显示区域中有m×n个像素，则其计算复杂度为O(mnk)算法描述如下：for(窗口内的每一个像素){确定距观察点最近的物体，以该物体表面的颜色来显示像素；}面消隐示例平面多边形的外法矢量为了判别物体上各表面是朝前面还是朝后面，需求出各表面(平面多边形)指向体外的法矢量。设物体在右手坐标系中，多边形顶点按逆时针排

4、列。当多边形为凸多边形时，则其法矢可取成多边形相邻两边矢量的叉积P1P2P37.1.2凸多面体的隐藏线消隐这种算法虽然简单，但当多边形为凹多边形时，则可能出现错误，即所求的多边形法矢量指向体内设n={A,B,C}，而式中若in，则j=i+1；否则i=n，j=1。以上算法适合任何平面多边形计算方法:凸多面体消隐的基本原理表面外法线与其可见性的关系设平面Pi上任一点的外法矢ni与该点的视线矢量vi的数量积：从而有其中θi为ni与vi之间的夹角，i=1，2，…，m，这里m为平面数当，即时，Pi为朝前面，为可见的，应该画出；当，即时，Pi为朝后面，不可见，不画出或用虚线表示。视线方向与外法线的关系如

5、图VN平面PθXYZ视线方向与外法线的关系视线矢量平行于某一基本坐标轴时夹角的计算当视线矢量vi平行于某一基本坐标轴时，那么平面的外法矢量n{A，B，C}与视线矢量的夹角就是外法矢量n与某一基本坐标轴的夹角，分别用α、β、γ表示视线矢量平行X、Y、Z轴时平面的外法矢量n{A，B，C}与坐标轴的夹角当视线矢量平行Z轴时，有同理，若视线矢量平行X轴时，某平面的可见性由该平面外法矢量n在X轴的方向分量A所决定若视线矢量平行y轴时，某平面的可见性由该平面外法矢量n在Y轴的方向分量B所决定8.1.3凹多面体的隐藏线消隐凹多面体的隐藏线消除比较复杂假设凹多面体用它的表面多边形的集合表示，消除隐藏线的问题可

6、归结为：对于一条空间线段P1P2和一个多边形，判断线段是否被多边形遮挡。如果被遮挡，求出隐藏部分线段和多边形的关系有：线段与多边形的任何边均不相交。处理方法比较简单线段与多边形相交。那么多边形的边把线段投影的参数区间[0,1]分割成若干子区间，每个子区间对应一条子线段(如下图所示)，进一步判断各子线段的隐藏性线段投影被分为若干子线段可见子线段的确定把各个子线段与所有需要比较的多边形依次进行隐藏性判别，记下各条隐藏子线段的位置。最后，对这些区间进行求并集运算，即可确定总的隐藏子线段的位置，余下的则是可见子线段（右图）包围盒任意一个形体的能够包围它的最小简单外围形体一个好的包围盒要具有两个条件包

7、围盒充分紧密包围着形体包围盒本身为简单形体，对其的测试比较简单采用某些手段减少运算复杂度应用—避免盲目求交例如：两个空间多边形A、B在投影平面上的投影分别为A’，B’，因为A’、B’的矩形包围盒不相交，则A’、B’不相交，无须进行遮挡测试。右图还分为两种情况：包围盒相交，投影也相交；包围盒相交，投影不相交。深度检验深度检验的目的是为了判别线段与多边形沿着视线方向的前后遮挡关系。在同一投影点上，离视