最新ahut计算机图形学8教学讲义ppt.ppt

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1、ahut计算机图形学8第8章真实感图形生成技术简单光照模型隐藏线面的消除透明处理明暗处理阴影处理纹理处理光线跟踪算法颜色模型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。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

2、缺乏真实感或真实感不足。第8章真实感图形生成技术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8章真实感图形生成技术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

3、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。第8章真实感图形生成技术图2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”。第8章真实感图形生成技术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

4、的夹角小于90°时，其平面背向观察点为不可见面。图3第8章真实感图形生成技术设平面外法线同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β﹦90时，cosβ﹦0，此面平行于Z轴，可以认为是不可见面。（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/

5、N

6、。作为判断依据，只需要知道c

7、osβ的正负号就够了。因为

8、N

9、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。第8章真实感图形生成技术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：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

10、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。第8章真实感图形生成技术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

11、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。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。第8章真实感图形生成技术深度优先级表的建立是动态进行的。假定观察方向同Z轴同向，则最初可按各面的最小z值排序。但这一初步排序可能出现差错，如图4所示的情况

12、。图中尽管面S1的最小z值小于面S2的最小z值，但正确的顺序是面S2位于面S1前。因此在实际将z值最大的面S写入帧缓冲器之前，需与其它面比较以确定是否在Z方向存在重叠。若无重叠，则对S进行写入，若存在重叠，则需作一些比较以决定是否有必要重新排序。如果存在两面相交和循环遮挡，如图5中所示的情况，这时简单的排序是无法解决问题的，必须求交分割后再进行排序。图4图5第8章真实感图形生成技术下面给出这种算法过程的简单描述(1）计算各面最小z值zmin