河南理工大学计算机图形学8章-1

1、 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 2 2/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 第第8 8 章章 真实感图形真实感图形 8.1 概述 8.2 消隐算法 8.3 颜色模型 8.4 光照模型 8.5 纹理映射技术 8.6 OpenGL真实感图形 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 3 3/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 8.1 概述 概述 8.1.1 真实感图形生成流程 真实感图形生成流程 真实感图形是综合利用数学、物

2、理学、计算机科学以 及其它科学技术在计算机图形设备上生成的、像彩色照片 那样逼真的图形。 野外场景模拟 机械设备仿真 室内装修展示 小区规划设计 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 4 4/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 生成真实感图形的基本步骤： （1）构建模型 用数学方法建立实体三维模型,并存储到系统中； （2）投影变换 将实体模型转换到三维观察坐标系中； （3）消隐处理 用消隐技术去除视景外的和实体上不可见的面； （4）光照处理 建立光照模型生成真实感图形。 PC 线框 图形 消隐 图形 真实 感

3、图 显示 图像 DC PC PC 投 影 投 影 投 影 表 面 处 理 消 隐 输入 数据 WC三维 图形 VC 观察 变换 消 隐 三维真实感图形生成流程图真实感图形生成流程图 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 5 5/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 8.1.2 真实感图形特点真实感图形特点 1. 真实感图形的特点真实感图形的特点 1）能比较完整地反映物体表面的颜色和亮度变化； 2）反映物体表面的质感和表面粗糙度； 3）反映物体的光照效果，表现场景的深度感和层次感， 充分体现物体间的遮挡关系； 4

4、）模拟透明物体透明效果和镜面物体的镜像效果。 模拟海床模拟海床 模拟场景模拟场景 模拟赛车模拟赛车 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 6 6/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 2. 影响真实感图形的因素：影响真实感图形的因素： 1）物体本身的几何形状： 平面体、曲面体、随机形状 （云、雾、火）； 2）物体表面特性： 粗糙度、感光度。表面颜色、纹理等； 3）照射物体的光源形状： 形状：点光源、线光源、面光源、体光源等； 强度：光的强度、颜色等。 4）物体和光源的位置：距离、角度、站高 5）周边环境：环境对

5、光的反射、折射、散射等。 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 7 7/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 8.2.1 消隐基础知识 消隐基础知识 一、消隐定义一、消隐定义 表示物体图形的方式： 线框图 消隐图 真实感图形。 线框图消隐图真实感图 8.2 消隐算法 消隐算法 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 8 8/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 隐藏线隐藏线（ （面 面） ）： ：根据投影几何的理论，形体上的看不见

6、的 图线或（平面）。 消隐：消隐：消除形体视图中隐藏线（面）的处理过程。 二二 消隐算法分类消隐算法分类 1) 根据消隐对象： 线消隐：消除物体上不可见的轮廓线。 面消隐：消除物体上不可见的表面。 2) 根据消隐算法空间： 物体空间消隐算法，也称对象空间消隐算法： 物体空间是指规范化的投影空间，即用户域。 该算法通过分析物体之间的空间几何关系，来确定 物体的可见性。 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 9 9/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 图像空间消隐算法图像空间消隐算法 图像空间是指物体投影后的二维

7、空间，即屏幕域。 该算法是将物体的投影分解为像素，通过分析像素的 可见性，来确定物体的可见性。 3物体空间常用的消隐算法物体空间常用的消隐算法 算法分三类： 1）外法线消隐算法：用于平面立体消隐处理； 2）浮动水平线算法：用于标准曲面立体消隐处理； 3）离散消隐算法：用于构造曲面立体消隐处理。 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 1010/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 三三 消隐基本原则消隐基本原则 1 排序 判别消隐对象与观察点之间的距离远近； 对其按x、y、z三个坐标方向进行排序； 确定对象之间的

8、遮挡关系。 2 连贯性 从一个对象到另一个对象，其属性值是或连续的。 连贯性： 1) 实体对象的连贯性； 2) 实体属性的连贯性； 3) 扫描线的连贯性； 4) 深度的连贯性。 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 1111/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 8.2.2 平面立体的消隐算法平面立体的消隐算法 一一 凸多面体消隐凸多面体消隐 平面立体=凸多面体+凹多面体。 1 凸多边形判定: 多边形任意两点连线均位于多边形内部。 2 凸多面体特点： 由多个平面凸多边形组成； 在投影关系上，体的表面要么完全可见

9、， 要么完全不可见； 各朝前表面不发生相互重叠现象。 朝 前 表 面 ？ 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 1212/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 3）表面外法线的方向角 据投影几何的规定：视方向一般取v=0,1,0，该方向和 Y轴的负方向相同。 用表面外法线在Y轴上的分量的值，作为判断表面 可见性的标准。 设表面的外法线矢量：N= Ai+Bj+Ck，与坐标轴的方向 角分别为、和，方向余弦为cos、cos和cos。 显然N|恒为正值，cos的值由B值来决定。 3 凸多面体隐藏线的消隐算法 形体表面的

10、外法线方向： 由形体内部指向外部，或由形体表面指向外部空间。 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 1313/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 形体表面的外法线方向： 由形体内部指向外部，或由形体表面指向外部空间。 3 算法过程： 1)1)可见面判别可见面判别 依据平面的表面外法线 当0a90o时，表示表面 法线朝前（即朝前面），该表 面可见； 当90o0时画出该表面，否则不画该表面。 当B0时，90o0时，0o a 0时，0oa 0 朝前面； cosa0 背向面 3）对朝前面计算其表面的最大深度值； 4）

11、计算朝前面的盒子角点坐标； 5）取出最大深度值的表面作为当前面； 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 1919/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 6）循环计算其他表面和当前表面的遮挡关系； 提取表面的每一个边，判断和当前面的关系： 完全挡住、完全未被挡住或部分挡住； 若完全挡住视为不可见边，作删除或改变线型处理； 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 2020/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 若完全不被挡住，视为可见

12、边，绘制该边； 若部分挡住，利用线段裁剪求出多边形之外的部分 线段：可见线段，绘制； 对多边形之内的部分线段：不可见线段，作删除 或改变线型处理； 3平面立体消隐算法的数据结构平面立体消隐算法的数据结构 1）采用三表结构，即点面表、棱边表和顶点表。 2）面表第一列为该表面的棱边总数； 3）面表第二列为该表面中内环数目，无内环时取为0； 4）棱边表中记录表面点环的顶点编号，内环顺时针排 序，而外环则按逆时针排序； 5）不论内环还是外环，其都是封闭的； 6）内外环的分隔符通常采用0； 画家画家 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 2121/34/34 计算机图形学计算机图形

13、学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 8.2.38.2.3深度缓存消隐算法 深度缓存消隐算法(Z(Z缓冲区算法缓冲区算法) ) 常用算法：深度缓存消隐算法，扫描线消隐算法、 区域排序算法等。 1.基本思路基本思路 对于屏幕上的每一个像素，记录位于该像素内最靠近 观察者的景物面的深度值，同时相应记录该景物面的颜色 (或灰度) 的所有记录值，根据记录的数据输出的图形。 图像空间消隐算法图像空间消隐算法 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 2222/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院

14、2.2.深度值深度值 在屏幕坐标系中任取像素点P0(i，j)，作平行于Z轴的 射线R，和表面F1、F2分别交于P1、P2点。 P1、P2点的Z坐标， 表面F1和F2的深度值。 深度值反映了该表面到显 示器屏幕的距离。 深度值反映了该表面 到观察者的距离， Z，距离 。 P1P1点点Z Z坐标坐标 P2P2点点Z Z坐标坐标 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 2323/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 3 . 开辟内存开辟内存 记录每一个像素的深度值和颜色值，开辟动态内存。 内存大小与屏幕的分辨率有关。

15、设屏幕的分辨率为：mn，开辟数组大小： 存放深度值：ZB(m，n)， 存放颜色（或灰度）值：FB(m，n)。 4. 表面深度值计算表面深度值计算 设表面方程：ax+by+cz+d=0 (c0)， 该表面对应像素点P(i，j)的深度值： z= (ai+bj+d)/c 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 2424/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 5.求表面方程求表面方程 根据形体的数据结构，可在表面的顶点表中任取三点： P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2) 、P3(x3，y3，z3)， 由三点

16、式平面方程： x y z 1 x1 y1 z1 1 =0 x2 y2 z2 1 x3 y3 z3 1 P2P2 P1P1 P3P3 P4P4 此三点怎样取？此三点怎样取？ 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 2525/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 y1 z1 1 x1 z1 1 x1 y1 1 x1 y1 z1 y2 z2 1 x x2 z2 1 y+ x2 y2 1 z x2 y2 z2 =0 y3 z3 1 x3 z3 1 x3 y3 1 x3 y3 z3 而表面方程的一般形式：ax+by+cz+

17、d=0，可推出： a=y1(z2-z3)-y2(z1-z3)+y3(z1-z2) b=-x1(z2-z3)+x2(z1-z3)-x3(z1-z2) c=x1(y2-y3)-x2(y1-y3)+x3(y1-y2) d=-x1(y2z3-y3z2)+x2(y1z3-y3z1)-x3(y1z2-y2z1) 表面方程的形式 点表的坐标表示 展开：展开： 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 2626/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 6. 表面与表面与z轴的位置轴的位置 求表面的深度值，首先判断该面和z轴的相互位置

18、关系： 1）表面和z轴平行或重合，不求其交点； 2）表面和z轴不平行，求其交点。 y z x N 表面和z轴的相互位置关系 外法线N和z轴的关系。 夹角夹角 思考思考: : 夹角夹角的值如何表示的值如何表示? ? 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 2727/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 6. 算法步骤算法步骤 1）开辟内存数组：ZB(m,n)和FB(m,n) 2）初始化数组：FOR i=1，m FOR j=1，n ZB(i，j)=机器允许最大值，FB(i，j)= 背景色 3) 循环计算每个像素点的深

19、度值： For j=1，m For i=1，n For k=1，L /L:形体的表面数 Zij=机器最大值 判断(i，j)点是否在当前投影多边形k内，利用射线法 或弧长法判断。 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 2828/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 若(i，j)点在k内，求(i，j)点的深度值Zij 进行深度值比较。 若ZijZB(i，j)，ZB(i，j)= Zij 7.优缺点分析 优缺点分析 优点：算法简单、直观，便于硬件实现。 缺点：内存占用量大、计算量比较大。 如VGA模式800600，每个

20、数组有： 800600=480，000个元素。 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 2929/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 y=iy=i 在屏幕上，y方向按像 素为单位分，得到的每个子 区 就 是 扫 描 线 ， 即 y = i (/xoy)扫描平面。 扫描线算法是深度缓冲器算法的一种延伸。 面存储计算 线存储计算 屏幕上取y=i，表示一条和x轴方向平行一条扫描线； 若y=i扫描线沿z方向移动，形成y=i (/xoy)平面。 z z x x o o y y y=i扫描面 8.2.4 8.2.4 扫描线

21、消隐算法扫描线消隐算法 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 3030/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 1.基本思路：基本思路： 1）求扫描面 与立体相 交 截 交线； 2）在扫描线 上，确定 显 示 像素点的属性； 3）显示像素 点的属性。 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 3131/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 2.算法的基本步骤 算法的基本步骤 1）定义一维数组ZB、ZF，保存扫描线上的数据。 2）对 Z

22、B和ZF数组赋初值： 3）搜索顶点坐标，确定扫描线范围， YminYYmax； 4）按扫描线循环：for i=Ymin，Ymax， 求出第i条扫描线平面和立体表面的截交线； 5）把各个交点按X坐标单向排序； 6）确定像素点的范围，XminXXmax； 7）按像素点循环，For j = Xmin，Xmax， 8）开始循环 for j =x1, x6 9）按边循环 for k=1, n (n表示多边形的边数，n=5) 10）求出每个像素点对应的深度值：Zk，并记录； 11）从Zk中确定其最小值Zmin； 12）把Zmin的值及属性送显。 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- -

23、3232/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 3.截交线的求交算法截交线的求交算法 求扫描平面和形体表面的截交线主要解决以下问题： 1）形体的数据结构采用翼边结构； 2）判断棱线(边)和扫描平面是否相交： 条件：y1y2 (y1-i)(y2-i)0 3) 求出第一个与y=i扫描面的交点，记录该边和交点 此边为起点，进行交点追踪， 采用循环：for j=1，L(形体的总边数)。 4）以翼边结构中的面指针作为追踪的方向， 根据左右指针的值进行追踪。 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 3333/34/34 计算

24、机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 y=i 5）追踪结束标志： 若重新追踪到第j边，说明截交线是封闭的多边形。 若追踪到某个边，该边面指针为空，说明形体表面 不封闭；应转向从j的另一个方向追踪，直到边界为止。 1 1 2 2 3 3 4 4 A A A1A1 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 3434/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 4.像素点可见性判断像素点可见性判断 间隔可以分为三类： 1）不包含截交线段， 图中，xxb， 用背景色显示该像素点。 2

25、）仅包含有一条线段或一 个点， 图中x=xa、x=xb两点处 用线段所在表面颜色显 示该像素点。 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 3535/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 3）同时存在多条线段， 图中，xaxxb，在此需解决以下问题： 循环求出x=j的像素点处各表 面的点，并进行记录： 循环：for k=1，n (n为截交线的边数)。 求交：x=j和两端点确定的直 线段的交点。 有效交点的记录： “起闭终开”判断重合点。 确定Z值最小的点，记录该表 面的颜色。 第第8 8章章 真实感图形真实感图形 第第7 7章章- - 3636/34/34 计算机图形学计算机图形学 2021-7-12 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 算法的基本步骤 算法的基本步骤 1）定义一维