真实感图形显示

2011/10/31 1 三维物体的真实感显示 管灵波 21125147 2011/10/31 2 目 录 简单光照模型 多边形绘制算法 1.Gouraud算法 2.Phong算法 1.漫反射的光强度计算 2.镜面反射的强度计算 3.环境光的强度计算 高度真实感显示技术 1.光线跟踪技术 2.辐射度技术 程序演示 2011/10/31 3 光 照 模 型（明暗模型） 基本概念：对物体进行透视投影，然后在可见面上产生自然 光照效果，可以实现场景的真实感显示。 建立光照模型需要实现两个步骤： 1.消隐处理：物体表面点或边的可见性计算 （Color计算）， 隐藏不可见点或边，消除图形显示的多义性，并增强图形的真 实感。 2.光照处理：物体表面点的光强度计算（Intensity） 2011/10/31 4 简单光照模型 为简化计算条件，此模型假定光源是点光源，物体是非透明体，在此假设下，点 光源照射在物体表面上时，产生光的反射效果，而透射光和散射光近似为零，其反 射光仅由漫反射光、环境光和镜面反射三部分组成。 光强度公式： I =Id + Is+ Ie 其中Id 是漫反射光强度；Is 为镜面反射光强度；Ie为环境光 在正常的情况下，光沿着直线传播，当光遇到介质不同的表面时，会产生反 射和折射现象，而且在反射和折射的时候，它们遵循反射定律和折射定律。 2011/10/31 5 漫反射的光强度计算 强度计算： Id ＝Ip Kd cos(θ ) 其中Id：表面反射光的强度 Ip：从点光源发出的入射光的强度 Kd：漫反射系数（0 ≤ Kd ≤1 ） θ ：入射光与表面法线的夹角 定义： 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。  入射光强为Ip  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 特点： 1.光源发出的光穿过物体表面，被吸收后 重新 发射出来的光。 2.颜色=物体颜色（白光照在蓝色物体上，漫反 射光=蓝色） 3.无方向性 2011/10/31 6 镜面反射的光强度计算 特点：  光源被物体表面直接反射回来的光。  颜色＝ 光颜色 （白光照在蓝色物体，镜 面反射光＝蓝色）  有方向性 强度计算 ：Is＝Ip Kscos(β ) 其中Is：表面镜面反射光的强度 Ip：从点光源发出的入射光的强度 Ks : 镜面反射系数 β ：视线与表面法线的夹角 定义：一个理想的光泽表面，如同一面镜子，根据光线反射定律，此时，只有 在反射方向上，观察者才能看到从镜面反射出来的光线，而在其他方向都看不 到。 2011/10/31 7 环境光的光强度计算 定义：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：Ie 为环境光的光强 Ka为物体对环境光的反射系数 2011/10/31 8 多边形绘制算法 通过光照模型，可以计算出曲面上点的光强度，但曲面物体表面上的亮 度是连续过度变化的，要实现这一点，可以利用多边形网格来逼近曲面体。 多边形网格的光强确定可利用平面明暗处理（flat shading），即恒 定光强度的明暗处理。在这种方法中，每个多边形网格单元对应一个光强 度，这样可以快而高效的表面： 问题的提出 当网格划分较稀时，用flat法处理明暗则一个多边形的明暗与其相邻的 多边形有明显的差异，这种亮度的不连续产生不真实和粗糙的明暗效果。 解决方法 用尽可能小的多边形来逼近和表示曲面，使光照效果中存在的不连续 的光亮度跳跃变化小于人类视觉的分辨率。 Gouraud明暗处理 （双线性亮度插值法） Phong明暗处理 （双线性法向量插值法） 2011/10/31 9 Gouraud明暗处理1 主要思想：为保证多边形之间亮度的光滑过渡，先计算出出物体上各个多边形顶点处 的法向量与亮度，然后用双线性插值，求出多边形内部每个点的亮度值。 使用Gouraud明暗处理来绘制多边形表面时，需要进行下列计算： ●确定每个多边形顶点的平均单位法向量 在多边形各顶点处，通过对共享该顶点的所有多边 形表面的法向量取平均值，而得到该点所对应的法 向量； ●对于每个顶点根据点光照模型来计算其光强度 结合单位法向量，根据光照模型来计算其光强 度，如右图所示 ●对顶点强度进行先行插值，求解表面上各点 强度，公式如下 2011/10/31 10 Gouraud明暗处理2 优点： 可对3D模型各顶点的颜色进行平滑、融合处理，将每个多边形上的每个点赋以一组色调值， 同时将多边形着上较为顺滑的渐变色，使其外观具有更强烈的实时感和立体动感。 缺点： 1.其着色速度比平面明暗处理（flat shading）慢得多； 2.用于顶点相邻的多边形法向量的平均值作为顶点的法向量，虽然各多边 形的法向量各不相同，但其个顶点的平均法向量却可能相同，此时，各顶 点的亮度，以致于整个面对亮度都一样了。这样，原来波浪状的曲面，经 亮度插值法计算后却以平面形式显示出来。 3.对镜面反射的描述效果不太理想，主要表现在高光域的形状不规范； 4.有马赫带效应（即曲面上各点的亮度本身虽然是用插值方式处 理而连 续变化，但人眼还是感觉到许多暗条纹现象）； 马赫带效应解决方法：将一个表面分割成许多的多边形面片；也可采 用Phong明暗处理，但需要更多的计算 平面明暗处理结果图 Gouraud明暗处理结 果图 2011/10/31 11 Phong明暗处理 主要思想：对法向量进行插值，然后在表面上的各点处根据光照模型进行计 算，该方法能够更真实地表现物体表面的高光效果并大大降低马赫带效应： 具体操作步骤： ●确定每个多边形顶点处的平均单位法向量NA,NB,NC；（与Gouraud明暗处理相同） ●在多边形表面上对顶点法向量进行线性插值，确定所求点的法向量Np，求得的法 向量同实际曲面的法向量非常接近； ●根据光照模型，沿每条扫描线计算表面上各点对应 的光强度； 特点： Phong方法解决了Gouraud方法所遇到的大多数问题，但本质上该方法仍属线性插值模 式。当光强函数的一阶导数不连续仍将导致马赫带效应，但比Gouraud方法要小。 Phong方法也会引起一些不规则的明暗变化效果，计算量要比前述两种要大。 2011/10/31 12 高度真实感图形显示技术 前述的Gouraud算法和Phong算法是依据简单光照模型确定表面点的光强度，而简单光照模型 仅考虑光源直接照射一个物体表面，产生的反射光能，而把周围环境对物体表面光亮度的影响 简单地概括为环境光，即没考虑物体间光线的相互影响，这是一种局部光照模型。 事实上，光源照射到物体A后的反射光，以及经由透明物体的 折射光（透射光），对另一个而言成为光源，为增强图形的真实 感，就需要考虑这些折射线和反射光。 从全局来看，就是考虑整个环境的总体光照效果和各种景物间光 照的相互影响---即所谓的整体光照模型（由Whitted提出）。 为了将问题简化，可分两步进行： 1.只考虑光想在景物表面间的镜面反射和规则透射，这样得出 的图形能表现出在光亮平滑的物体表面上呈现出其他景物的映像， 以及通过透明物体看到气候的环境映像，可采用光线跟踪算法。 2.考虑光照从漫反射到漫反射，这样得出的画面更为柔和，并能 模拟出彩色渗透现象，例如，一个白色光亮的物体附近有个红色 物体，则白色物体看上去会略带红色，可采用辐射度算法。 漫反射到漫反射 镜面反射和规则透射 2011/10/31 13 光线跟踪算法1 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。 最基本的光线跟踪算法是跟踪镜面反射和折射。 从光源发出的光遇到物体的表面，发生反射和折射，光 就改变方向，沿着反射方向和折射方向继续前进，直到遇到 新的物体。 但是光源发出光线，经反射与折射，只有很少部分可以 进入人的眼睛。 因此实际光线跟踪算法的跟踪方向与光传播的方向是相反的，而是视线跟 踪。 由视点与象素(x，y)发出一根射线，与第一个物体相交后，在其反射与折 射方向上进行跟踪，如图所示。 2011/10/31 14 此时，光线在离视点最近的景物表面交点处的走向有以下三种可能： 1) 当前交点所在的景物表面为理想漫射面。跟踪结束。 2) 当前所在的景物表面为理想镜面．光线沿其镜面反射方向继续 跟踪。 3) 当前交点所在的景物表面为规则透射面．光线沿其规则透射方 向继续跟踪。 显然，上述过程是一递归跟踪过程。对每一根 穿过屏幕象素中心的光线的跟踪构成了一棵二 义树。 虽然光线在景物间的反射和折射可以无限 地进行下，但在实际计算时不可能做无休止的 光线跟踪，因而需要给出光线跟踪的终判条件。 如设定跟踪层数，光亮度小于给定值等条件。 光线跟踪算法2 2011/10/31 15 辐射度算法 光线跟踪算法成功地模拟了整体光照效果的镜面反射和透射过程，但无法模拟 光能在物体表面间由漫反射到漫反射的能量传播形式。因此，采用此算法绘制的图 像，仍有一些照明效果得不到正确表现。漫反射效应很难用光线跟踪算法来实现， 因为漫反射光是向空间各方向均匀反射的光，要模拟他需要引出很多条光线，计算 量极大，无法实现。 辐射度算法是假定所考虑到环境是一封闭的理想漫反射环境，在此环境中从光源发 出的光能经过物体间的多重漫反射后最终达到平衡状态，因而，每个面元所接受到的 光能，除了一部分被面元转换成热能之外，其余的光能应向周围场景均匀辐射。 上述辐射度方法只是模拟漫反射，不能模拟镜面反 射和规则透射，为了模拟各种照明效果，需要两步法： 1.采用辐射度方法求出整体环境中的漫反射光能的分布； 2.采用光线跟踪技术，求出整体镜面反射光和规则透射 光对给定屏幕像素亮度的贡献。 2011/10/31 16 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 在资料收集过程中，初步了解了真实感显示技术，联系平时 都能接触到的3D动漫，3维地图，对三维造型的实现有个简单的 理解，但由于准备时间有限，只能选择部分学习，以后有时间可 以深入学习。 动漫 黄龙体育馆 2011/10/31 17