07消隐及真实感处理技术

消隐及真实感图形生成技术观察空间的定义及转换三维裁剪投影消隐消隐投影光照效果生成投影线框图消隐图真实感图形三维形体线框图消隐图真实感图形消隐技术线框图的二义性:物体空间的消隐算法:物体空间是指物体所在的空间。这类算法是将物体表面的k个多边形中的每个面与其余k-1个面进行比较，精确地求出物体上每个棱边或每个面的遮挡关系。算法的计算量正比于k2。图象空间的消隐算法：图象空间是相对于物体空间的，在消隐算法中，图象空间就是屏幕坐标空间。这类算法对屏幕上的每个象素进行判断，以决定物体上哪个多边形在该象素点上是可见的。若屏幕上有m*n个象素点，物体表面上有k个多边形，则该类消隐算法计算量正比于m*n*k。消隐算法深度缓存算法是一种典型的、也是最简单的图象空间消隐算法。YXOZjip1p2屏幕物体R1、ZB为深度缓存，FB为帧缓存，初始化ZB和FB，使得ZB(i,j)=机器最大值，FB(i,j)＝背景颜色。其中，i=1,2,…,m.j=1,2,…n.2、FORj=1,n//第j根扫描线。FORi=1,m//第j根扫描线上第i个像素。FORk=1,N//第k个多边形Pk2.1令Zij=机器最大值2.2判断点（i,j)是否在多边形Pk在XOY面上的投影多边形内；2.2若点(i,j)在Pk的投影多边形内，则计算多边形Pk在点(i,j)处的深度值Zij；2.3比较Zij与ZB(i,j)的大小，若ZijZB(i,j)，则令ZB(i,j)=Zij;FB(i,j)=多边形Pk的颜色。优点：1、算法简单，在X、Y和Z方向上没有进行任何排序，和任何相关性计算。2、便于硬件实现。现在一般高档图形工作站上，除了帧缓存外，还带有用于消隐的深度缓存，从而克服了深度缓存算法占用大量存储单元的缺点。3、便于并行处理，进一步提高算法的速度。是介于物体空间消隐和图象空间消隐的一种方法，在物空间中计算物体上各面可见性的优先级，然后在像空间中产生消隐图。计算物体上各面的可见性的优先级，是按多边形离视点的远近来进行排序，建立一张优先级表。距离视点近的优先级高，远的优先级低。生成图象时，优先级低的多边形先画，优先级高的多边形后画。画家算法（深度排序算法）上图给出另外几个更复杂的情况，无法直接建立正确的深度优先表。解决方法是沿多边形所在平面间的交线循环分割这些多边形，至最后可完全确定其优先级表。见虚线所示。下图给出的4种情况均可直接按优先级表的顺序处理，不必做特殊处理，显示结果符合实际情况。zxzxPQPQzxPQzxPQ真实感图形生成技术随着计算机技术与图形学的发展以及光栅显示器的出现，加上包括存储器在内的各种计算机硬件的性能提高，使得需要高速计算花大存储量的真实感图形生成成为可能。真实感图形生成技术需要解决如下技术：•着色•光照•纹理•透明良好的真实感图形显示应该具备以下特点：能反映物体表面颜色和亮度的细微变化；能表现物体表面的质感；能表现光照下的物体阴影，极大地改善场景的深度感和层次感，充分体现物体间的相互遮挡关系；能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜像效果。决定一个物体的外观的因素主要有以下几个方面：1、首先是物体本身的几何形状；2、其次是物体的表面特性；包括材料的粗糙度、感光度、表面颜色和纹理等。3、照射物体的光源性质。从光源发出的光有亮有暗、有不同的颜色，我们可以用光的波长和光的强度来描述。光源还有点光源、线光源、面光源和体光源之分。4、物体与光源的相对位置。相对位置决定了物体反射光线的情况，决定了高光区，背光区等在物体上的位置。5、最后是物体周围的环境。它们通过对光的反射和折射，形成环境光，在物体表面上产生一定的照度。简单光反射模型用简单光反射模型模拟光，照射到物体表面时，产生了光的反射。反射光主要由漫反射光、环境光和镜面光三部分组成。漫反射模型可以用Lambert余弦定理描述，如图所示，设物体表面在P点的法向N，从P点指向光源的向量为L，两者的夹角为。于是，点P处的漫反射光的强度为：Id=Ip·Kd·cos,02这里，Ip为入射光的强度，即点光源的光强；Kd为漫反射系数，是0～1之间的一个常数，取决于物体的材料属性和入射光的波长；为光线入射角。NL环境光是光在物体和周围环境之间多次反射的结果，它不是直接来自光源，而是来自周围的环境对光的反射。环境光的特点是：照射在物体上的光来自周围各个方向，又均匀地向各个方向反射。设Ia为环境光的强度，于是，P点对环境光的反射强度为Ie=Ia·KaP镜面反射光镜面反射的特点：光源来自一个方向，反射光集中在反射方向。如图镜面反射模型又称Phong模型，可以表示为：Is=Ip·Ks·cosn其中，Is为镜面反射光在观察方向上的光强，Ip为点光源的强度，Ks为镜面反射系数，为视点方向V与镜面反射方向R之间的夹角，n是与物体表面光滑有关的一个常数，一般取为1～2000，表面越光滑，n越大。NLRV综上所述，从视点观察到物体上任一点P处的颜色和亮度I应为漫反射光强Id，环境光反射光强Ie及镜面反射光强Is的总和，即I＝Id+Ie+Is多边形的明暗处理：Gouraud明暗处理I1(x1,y1)I4(x4,y4)I2(x2,y2)I3(x3,y3)Ia(xa,ys)Ib(xb,ys)Is)]()([1)]()([1)]()([1144141122121asbsbaabsssbssaxxIxxIxxIyyIyyIyyIyyIyyIyyI改写为增量形式。当ys由j变为j+1时bjbjbajajaIIIIII,1,,1,对多边形顶点的光亮度作双线性插值)(1)(141412121IIyyIIIyyIba其中：)(1,1,ababssisisIIxxIIIIxs由i增加为i+1时I1(x1,y1)I4(x4,y4)I3(x3,y3)Ia(xa,ys)Ib(xb,ys)Is1、计算多边形法向；2、计算顶点的法向；3、计算顶点的亮度；4、插值计算中间点的亮度；1、仍然用双线性插值，用增量式，减少计算量。2、对顶点法向量进行插值，而不是对亮度插值。3、对每个象素，由插值得到法向量计算各自的亮度。4、仍然假定光源和视点都在无穷远。每点的亮度仅是该点的法向量的函数。I1(x1,y1)I4(x4,y4)I3(x3,y3)Ia(xa,ys)Ib(xb,ys)Is多边形的明暗处理：Phone明暗处理对多边形顶点的法向量作双线性插值)]()([1)]()([1)]()([1144141122121asbsbaabsssbssaxxNxxNxxNyyNyyNyyNyyNyyNyyN改写为增量形式。当ys由j变为j+1时bjbjbajajaNNNNNN,1,,1,N1(x1,y1)N4(x4,y4)N2(x2,y2)N3(x3,y3)Na(xa,ys)Nb(xb,ys)Is)(1)(141412121NNyyNNNyyNba其中：)(1,1,ababssisisNNxxNNNNxs由i增加为i+1时Gourand明暗法与Phone方法的最主要的区别是:Gourand方法是对亮度插值，Phone方法是对顶点法向量插值。光线跟踪算法光线跟踪算法采用整体和局部光照模型，模拟光的反射和透射，表面镜面物体的镜面映象、透明体的透明效果，以及物体的阴影。视点和光源可以在无穷远也可以在空间的任意位置。可以处理多个光源。动画简介1.脚本及动画设计2.关键帧设计3.中间帧生成4.描线上色5.检查拍摄6.后期制作