三维形体的真实感显示PPT文档格式.ppt

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根据多面体表面的平面法矢决定颜色值，直接调用OpenGL的多边形填充算法即可。

算法简单，但轮廓分明，各多边形之间过渡不光滑。

2）Gouraud模型,算法思想：

为使多边形边界之间光滑显示，先计算多边形各顶点光强，后通过双线性插值，计算多边形内各点光强。

能保证多边形边界颜色的连续性，但高光模糊，有时出现过亮或过暗条纹（即马赫效应）。

计算较为简单，OpenGL算法已实现硬件加速。

算法步骤：

For（每一个三角形）1）计算多边形顶点的平均法向；

2）根据基本光照模型计算顶点的平均光强；

3）通过线性插值，计算多边形的边上的各点光强；

4）通过线性插值，计算多边形内部各点的光强。

10三维形体的真实感显示,1.简单效果的浓淡图生成2.一般性效果图形生成3.真实感效果图生成1）全局关照模型2）光线跟踪3）辐射度算法4.纹理映射,2.一般性效果图形生成,1）简单光照明模型-Phong模型,简单光照明模型模拟物体表面对光的反射作用。

光源被假定为点光源，反射作用被细分为镜面反射（SpeculaReflection）和漫反射（DiffuseReflection）。

简单光照明模型只考虑物体对直接光照的反射作用，而物体间的光反射作用，只用环境光（AmbientLight）来表示。

Phong模型是一种简单光照明模型,不妨设：

入射光强为Ip物体表面上点P的法向为N从点P指向光源的向量为L两者间的夹角为,A）理想漫反射当光源来自一个方向时，漫反射光均匀向各方向传播，与视点无关，它是由表面的粗糙不平引起的，因而可假定漫反射光的空间分布是均匀的。

P,如果Ip表示点光源的强度，kd表示物体表面漫反射系数，则漫反射方程可描述为：

若N为物体表面的单位法向量，L为物体表面上一点指向光源的单位矢量，则：

如果有多个光源，则光强度计算式为：

B）镜面反射光对于理想镜面，反射光集中在一个方向，并遵守反射定律。

对一般的光滑表面，反射光集中在一个范围内，且由反射定律决定的反射方向光强最大。

因此，对于同一点来说，从不同位置所观察到的镜面反射光强是不同的。

镜面反射光强可表示为：

Ks是与物体有关的镜面反射系数，a为视线方向V与反射方向R的夹角，n为反射指数，反映了物体表面的光泽程度，一般为12000，数目越大物体表面越光滑。

镜面反射光将会在反射方向附近形成很亮的光斑，称为高光现象。

镜面反射光产生的高光区域只反映光源的颜色将V和R都格式化为单位向量，镜面反射光强可表示为：

式中：

对多个光源：

C）环境光环境光是指光源间接对物体的影响，是在物体和环境之间多次反射，最终达到平衡时的一种光。

近似地认为同一环境下的环境光，其光强分布是均匀的，它在任何一个方向上的分布都相同。

例如，透过厚厚云层的阳光就可以称为环境光。

在简单光照明模型中，用一个常数来模拟环境光，用式子表示为：

其中：

Ia为环境光的光强Ka为物体对环境光的反射系数,D）Phong光照明模型综上分析，Phong光照明模型表述为：

由物体表面上一点P反射到视点的光强I为环境光的反射光强Ie、理想漫反射光强Id、和镜面反射光Is的总和，即：

按R、G、B三种颜色分量展开计算得：

IIeIdIs,由此可得：

用Phong模型进行计算时，对物体表面上每个点P，均需计算光线的反射方向R，再由V计算（RV），为减少计算，可作如下假设：

a）光源在无穷远处，即光线方向L为常数；

b）视点在无穷远处，即视线方向V为常数；

c）为避免计算反射方向R，用（HN）近似代替（RV）这里H为L和V的平分向量，即：

H（LV）/|LV|,注意：

Phong模型对物体表面的每一点的光强进行计算，显然其计算量较大。

E）Phong模型计算实例图中可以看出高光指数n、漫反射Kd及镜面系数Ks对显示效果的影响亮点集中面积亮度,Phong光照明模型是真实感图形学中提出的第一个有影响的光照明模型，生成图象的真实度已达到可接受程度。

但在实际应用中，它是一个经验模型，还具有以下的一些问题：

用Phong模型显示出的物体象塑料，没有质感；

没有考虑距离对光照强度的衰减影响；

环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光；

镜面反射的颜色是光源的颜色，与物体的材料无关；

镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真；

Phong模型是简单的局部光照模型，对物体间相互反射及折射、阴影处理欠缺等。

2）浓淡图绘制算法,通过前面介绍的Gouraud模型、Phong光照模型可计算物体表面上点的颜色值。

为了显示形体的三维真实感效果图，下面介绍多面体浓淡图的如何绘制。

由于空间三维物体是连续点集。

显然直接计算点的颜色将无法确定计算采样点的位置和数目。

事实上，我们仅能看到屏幕所能显示的区域。

如果能够求得屏幕上每一个象素点所对应的物体上点的颜色，这样就可绘制整个图形。

为了得到屏幕上某象素点所对应的物体上点的颜色，假定作经过该象素点的一条射线，射线平行于观察视线，则射线与多面体物体可能有多个交点。

如果物体不是透明的，则处于最前面的交点的颜色即为所求，如右图所示。

最简单的算法Z缓冲区（ZBuffer）算法,为计算物体表面上对应象素点的颜色，用帧缓存器存放每个象素颜色（按光照模型计算），用深度缓存空间来存放每个象素深度值Z，称为Z缓冲器（即ZBuffer）。

A）Z缓冲器（Z-Buffer）算法,绘制时思路：

1）Z缓冲器中每个单元值是对应象素点所反映物体对象的z坐标值，初值取成z的极小值。

2）将待处理的景物表面上的采样点变换到图像空间，计算其深度值z。

3）并根据采样点在屏幕上的投影位置，将其z值与已存贮在z缓存器中相应象素处的原可见点的深度值进行比较。

4）如果该采样点位于Z缓存器所记录的可见点之前，则将该采样点处的表面颜色填入帧缓存器相应象素，同时用其深度值更新z缓存器存贮的深度值。

否则，不写入也不更新。

Z-Buffer算法（）for（i=0，1，m）/m：

窗口水平方向象素数目for（j=1，n）/n：

窗口垂直方向象素数目用背景色初始化帧缓存CB：

CB（i,j）=背景色；

用最小Z值初始化深度缓存：

ZB（i,j）=Zmin；

for（每一个多边形p）/算法1将该多边形进行投影变换；

扫描转换该多边形在视平面上的投影多边形；

for（该多边形所覆盖的每个象素（i,j）计算该多边形在该象素的深度值Zi,j；

if（Zi,jZB（i,j））ZB（i,j）Zi,j；

计算该多边形在该象素的颜色值Ci,j；

CB（i,j）=Ci,j；

/forp/注：

对投影多边形进行裁剪得到有效区域，可加快显示速度,Z-Buffer算法在象素级上以近物取代远物。

形体在屏幕上的出现顺序是无关紧要的。

这种取代方法实现起来远比总体排序灵活简单，有利于硬件实现。

然而Z-Buffer算法存在缺点：

占用空间大，没有利用图形的相关性与连续性。

Z-Buffer算法以算法简单著称，但也以占空间大而闻名。

Z-Buffer算法需要开一个与图象大小相等的缓存数组ZB，可一次性显示。

当然，也可只用一个深度缓存变量zb，但需逐点计算显示，显示效率低下。

B）扫描线Z-buffer算法,如何减少Z-buffer的缓冲内存，并利用相关性提高点与多边形的包含性测试和深度计算速度，就得到扫描线Z-buffer算法。

从最上扫描线开始向下对每条扫描线作处理。

对每条扫描线来说，把相应的帧缓冲器单元置成底色，在z缓冲器中存放z的极小值。

与Zbuffer算法相比，扫描线Zbuffer将整个绘图窗口内的消隐问题分解到一条条扫描线上解决，使所需的Z缓冲器大大减少。

对每个多边形检查它在oxy平面上的投影和当前扫描线是否相交（如右上图），若不相交则跳过该多边形；

若相交则扫描线和多边形边界交点一定成对出现，对每对交点间的象素计算多边形所在平面对应点的深度（即z值），并和z缓冲器中相应深度值比较。

对所有多边形和帧缓冲器每一行都作上述处理。

利用活性多边形Y、活化边表处理相邻扫描线和象素的连贯性，提高算法效率。

C）区间扫描线算法,扫描线z缓冲器算法将消隐问题分散到每一条扫描线上去解决，这样问题变得较简单了。

但在每个象素处计算多边形z值的工作量仍是很大。

实际上每条扫描线被各多边形边界在oxy平面上的投影分割成为数不多的区间（如右图），每一个区间上只显示一个面。

因此，只要在区间上任一点处，找出在该处z值最大的一个面，这个区间上的每个象素就用这个面的颜色来显示。

这就是所谓区间扫描线算法。

扫描面Oxz,区间扫描线算法使得在一条扫描线上每个区间只计算一次深度值，不需要Z缓冲器。

它是把当前扫描线与各多边形在投影平面的投影的交点进行排序后，使扫描线分为若干子区间。

因此，只要在该区间任一点处找出在该处z值最大的一个面，这个区间上的每一个象素就用这个面的颜色来显示。

当然，现在计算机的硬件发展很快，缓存数组所耗空间已不是障碍。

Phong模型的区间扫描线绘制算法示例,1,10三维形体的真实感显示,1.简单效果的浓淡图生成2.一般性效果图形生成3.真实感效果图生成1）全局关照模型2）光线跟踪3）辐射度算法4.纹理映射,1）整体光照明模型及真实感显示,简单光照明模型和局部光照明模型，虽然可以产生物体的真实感图象，但它们都只是处理光源直接照射物体表面的光强计算，不能很好的模拟光的折射、反射和阴影等，也不能用来表示物体间的相互光照明影响。

而基于简单光照明模型的光透射模型，虽然可以模拟光的折射，但是这种折射的计算范围很小，不能很好的模拟多个透明体之间的复杂光照明现象。

对于上述的这些问题，就必须要有一个更精确的光照明模型。

整体光照明模型就是这样的一种模型，它是相对于局部光照明模型而言的。

在现有的整体光照明模型中，主要有光线跟踪和辐射度两种绘制方法。

2）光线跟踪算法的基本思想,光线跟踪算法是真实感图形学中的主要算法之一，算法具有原理简单、实现方便和能够生成各种逼真的视觉效果等优点。

在真实感图形学对光线跟踪算法的研究中，Whitted提出了第一个整体光照模型，并给出一般性光线跟踪算法的范例，综合考虑了光的反射、折射透射、阴影等。

光线跟综过程示意图,简单光透射模型把透射光分为理想漫透射和规则透射。

由光源发出的光称为直接光，物体对直接光的反射或折射称为直接反射和直接折射。

把物体表面间对光的反射和折射称为间接光，间接反射，间接折射。

这是光线在物体间的传播方式，是光线跟踪算法的基础。

由光源发出的光到达物体表面后，产生反射和折射，简单光照明模型和光透射模型模拟了这两种现象。

在简单光照明模型中，反射被分为理想漫反射和镜面反射光。

最基本的光线跟踪算法是跟踪镜面反射和折射。

从光源