计算机图形学课件.pptxVIP

2023/2/241 第八章 真实感图形生成技术 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，图形会缺乏真实感或真实感不足。 2023/2/242 8.1 隐藏线面的消除 在用计算机生成三维图形时，形体的所有部分都将被表示，不管是可见的还是不可见的，这样的图形显示出来形状是不清楚的，甚至是不确定的。图1（a）所示是一个通过棱边表示的立方体的图形，如果不消隐不易辨别。通过适当删除不可见的隐藏部分，可以得到表示明确的图形。图1（b）是观察点在立方体的前上方的消隐图，图1（c）是观察点位于立方体的前下方消隐图，消隐图表示了明确的立体感形体。图1 2023/2/243 观察点确定后，找出并消除图形中不可见的部分，称为消隐。经过消隐得到的图形称为消隐图。 消除隐藏线和隐藏面是计算机图形学中一个较为困难的问题，消隐算法是决定相对于空间给定位置的观察者，哪些棱边、表面或物体是可见的，哪些是不可见的。消隐不仅与消隐对象有关，还与观察点、观察方向、投影面等的设置方位有关。改变这些设置，物体上某些可见的部分将会变成不可见，某些不可见的部分又会变成可见。 虽然各种消隐算法的基本思想有所不同，但它们大多采用了排序和相关性以提高效率。排序的主要目的是区分体、面、边、点与观察点间几何距离的远近。因为一个物体离观察点愈远，它愈有可能被另一距观察点较近的物体部分地或全部遮挡。消隐算法的效率在很大程度上取决于排序的效率。通常利用画面在局部区域内的相关性来提高排序过程的效率。 2023/2/244 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。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。 2023/2/245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”。 2023/2/246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，当外法线同视线的夹角小于90°时，其平面背向观察点为不可见面。图3 2023/2/247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 ﹦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/|N|。作为判断依据，只需要知道cosβ的正负号就够了。因为|N|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。 2023/2/248 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。 2023/2/249凸多面体消隐演示示例： 20