三维形体的真实感显示PPT文档格式.ppt

1、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

2、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（Specula Reflection）和漫反射（Diffuse Reflection）。,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（Ambient Light）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

3、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

4、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：

5、,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 I e、理想漫反射光强 I d、和镜面反射光 I s 的总和，即：,按R、G、B三种颜色分量展开计算得：,I I e I d I s,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

6、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；P

7、hong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

8、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

9、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,j ZB（i,j）ZB（i,j）Zi,j；计算该多边形在该象素

10、的颜色值Ci,j；CB（i,j）=Ci,j；/for p/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

11、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

12、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

13、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

14、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