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计算机图形学第7讲真实感图形的绘制PPT课件

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真实感图形绘制技术PPT课件

真实感图形绘制技术PPT课件

视点 P2 Front B A P1 P1 Front C D P2 A,B
P1 Back D,C
Back P2
Front
A
Back B
Front D
Back
C
（一）消隐技术
BSP算法（Binary Space Partition）
是一种决定场景可见性的有效方法 与画家算法类似，也是从远到近往屏幕覆盖画面元素 适合在场景不变，视点变化的场合中对景物表面做快
优点：
Z缓冲区算法排序灵活简单，有利于硬件实现。 在Z缓冲区算法中，屏幕上哪个像素点的颜色先计算，
哪个后计算，其先后顺序是无关紧要的，不影响消隐 结果。因此，该算法不需要预先排队，从而省去了排 序时间。 目前许多图形工作站都配置硬件实现的Z缓冲器算法， 以便于图形的快速生成和实时显示
所代表的面离视点更近，所以，由远及近地绘制各面 就相当于消除隐藏面。这与油画家作画的过程类似， 先画远景，再画中景，最后画近景，因此将这种算法 称为画家算法。
（一）消隐技术
表优先级算法（画家算 法）
优点：简单、易于实现，
A B
并且可以作为实现更为 复杂算法的基础 缺点：只能处理互不相 交的面，而且深度优先 级表中的顺序可能出错
（一）消隐技术
表优先级算法（画家算法）
1. 将屏幕置成背景色 2. 构造物体组成面的深度优先级表：把物体的各个面按
其离视点的远近进行排序，离视点远的在表头，离视 点近的在表尾 3. 由远到近进行绘制：从表头至表尾逐个取出多边形， 投影到屏幕上，显示多边形所包含的实心区域。
由后显示的图形取代先显示的画面，而后显示的图形
D
Front P2 Front D C

计算机图形学真实感图形绘制PPT课件

计算机图形学真实感图形绘制PPT课件

i1
i1
2020年9月28日
19
10.2 基于简单光照模型的多边形绘制
恒定光强 Gouraud明暗处理 Phong明暗处理
2020年9月28日
20
恒定光强
只用一种颜色绘制整个多边形 光源在无穷远处，则多边形上所有点的L·N 为常数，衰减函数也是一个常数。 视点在无穷远处，则多边形上所有点的V·R 为常数。 多边形是景物表面的精确表示，即不是一个 含曲线面景物的近似表示。
第十章 真实感图形绘制
基本概念 简单光照模型 基于简单光照模型的多边形绘制
2020年9月28日
1
基本概念
真实感图形绘制：通过综合利用数学、物理学、 计算机以及心理学等知识在计算机图形输出设 备上绘制出能够以假乱真的美丽景象。
光强（度）：描述物体表面朝某方向辐射光的 颜色，它既能表示光能大小又能表示其色彩组 成的物理量。
n
n
IaK a f(di)Ip,iK d(L iN ) f(di)Ip,iK s(H iN )n
i 1
i 1
2020年9月28日
16
颜色
选择颜色模型（color model） 面向硬件的颜色模型：RGB、CYM 面向视觉感知的颜色模型：HSI
为颜色分量指定光照模型
2020年9月28日
17
2020年9月28日
2
基本概念
光照模型（Illumination model），也称明暗模 型，主要用于物体表面某点处的光强度计算。 简单的光照模型 复杂的光照模型
2020年9月28日
3
基本概念
真实感图形绘制过程 根据假定的光照条件和景物外观因素，依
据一定的光照模型，计算可见面投射到观察者 眼中的光强度大小，并将它转换成适合图形设 备的颜色值，生成投影画面上每一个象素的光 强度，使观察者产生身临其境的感觉。

《真实感图形的绘制》PPT课件

《真实感图形的绘制》PPT课件
I=Ia· κa
其中I是可见外表的亮度，Ia是环境光线的总亮度， κa是物体外表对环境光线的反射系数，它在0到1之 间.
2．漫反射
具体光源在物体外表可以引起漫反射和镜面反 射。漫反射是指来自具体光源的能量到达外表上的 某一点后，就均匀地向各个方向散射出去，使得观 察者从不同角度观察时，这一点呈现的亮度是一样 的。
对于彩色外表，上述各公式也可以应用， 只需分别应用于对各颜色分量的计算。例如， 选择通常的红、绿、蓝颜色系统，这时上述 公式中有关亮度及反射系数等，就要看做是 三元向量。通过分别对各颜色分量进展计算， 就可以完成对彩色外表的亮度计算。
4．光的衰减
光在传播的过程中，其能量会衰减。光的传播过程 分为两个阶段：从光源到物体外表的传播及从物体 外表到人眼的传播。光的第一个传播阶段的衰减使 物体外表的入射光强度变弱，第二个阶段的衰减使 人眼承受到的物体外表的反射光的强度变弱.
这里可以假定反射光线的方向向量R和指
向观察点的向量V都已经正规化，即已经是
长度为1的单位向量，于是可以简单地利用
向量内积计算余弦值：
。对 ，
通 样常公c 根式o α 据可 经写s R 历 成•V 选 下取 面一 更个 容W常 易θ 数计算来的代形替式，：这
ks
• I I a .a k r I p k k d L • N k SR V n
《真实感图形的绘制》 PPT课件
本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！
第三 确定场景中的所有可见面。 〔消除隐藏面算法〕

计算机图形学第7讲真实感图形的绘制PPT课件

计算机图形学第7讲真实感图形的绘制PPT课件

2020年9月28日
39
简单光照明模型
Gouraud明暗处理算法
计算多边形顶点的平均法向
nb n
nc
用与顶点相邻的所有多边形 的法向的平均值近似作为该
na
nd
顶点的近似法向量
用Phong光照明模型计算顶 点的平均光强
插值！
I1 I2
2020年9月28日
I0
I4 I3
40
简单光照明模型
光强插值
(R) 、(G) 、(B) 为正值 (R) 、(G) 、(B)为方向，代表颜色
降维到色度平面(R) +(G)+(B)=1
2020年9月28日
9
基础概念
球面坐标系
2020年9月28日
10
基础概念
立体角（Solid Angle）
投影面积
Anv
2020年9月28日
v
11
基础概念
光通量
单位时间内通过面元的光能量（单位W）
饱和度(Saturation)-纯度(Purity)
颜色纯度
纯度越高：单一波长且更亮（激光）
亮度(Lightness)-明度(Luminance)
光的亮度 光在单位时间内从单位面积向单位立体角所发射的能量
2020年9月28日
5
2020年9月28日
6
颜色
红、绿、蓝三原色 (RGB)
1862年Helmhotz提出 视锥网膜存在三种细胞，分别感应红绿蓝三种颜色
N4 N3
D
F B
E
C
46
简单光照明模型
Phong明暗处理：双线性法线插值
通过更加平滑的法向量变化，以产生高光效果

计算机图形学ppt课件 第七章真实感图形显示.ppt

计算机图形学ppt课件 第七章真实感图形显示.ppt

当 t3 0 时，交点在射线上，否则交点在射线得反向延长线上（不算交点）
消除隐藏线
凸多面体的隐藏线消除 凹多面体的隐藏线消除
面消隐
面消隐算法的分类 提高消隐算法效率的常见方法 画家算法 Z缓冲器算法(Z-Buffer) 扫描线Z缓冲器算法 区域子分算法 光线投射算法
面消隐算法的分类
第七章 真实感图形显示
消隐 光照 图案与纹理 颜色空间
消隐的分类 消除隐藏线 消除隐藏面
消隐
消隐
•投影变换失去了深度信息，往往导ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图形的 二义性
•要消除二义性，就必须在绘制时消除被遮挡的不可 见的线或面，习惯上称作消除隐藏线和隐藏面，简称 为消隐。
•经过消隐得到的投影图称为物体的真实图形。
x y
d1t d2t
x0 y0
把射线方程代入直线方程得到
(a1 d b2 )td a0 x b0 y c 0
当 线与a 直线1d 重b合。2d 当0a时,1d直线b与2 d射线0平时行，,若则还有 a0db0 dc0,则整条射
t1 (a0 x b0 y c )/a (1 d b2 )d
消除隐藏线
对造型的要求
在线框显示模型中,要求造型系统中有面的信 息，最好有体的信息。
坐标变换
将视点变换到Z轴的正无穷大处，视线方向 变为Z轴的负方向。
最基本的运算
判断面对线的遮挡关系.反复地进行线线、线 面之间的求交运算
求交运算
射线与直线求交运算
假定直线方程为 axbyc0
射线方程为
长方体线框投影图的二义性
消隐
•消隐的对象是三维物体。三维体的表示主要 有边界表示和CSG表示等。
•消隐结果与观察物体有关，也与视点有关。

真实感图形显示技术优秀课件

真实感图形显示技术优秀课件
• 在上述三部分光中，仅仅是透射光和反射光能够进 入人眼产生视觉效果。为模拟这一现象，我们建立 一些数学模型来替代复杂的物理模型。这些模型就 称为明暗效应模型或者光照模型。
2021/3/4
计算机图形学
8
8.2.1 环境光
• 环境光是这样一种光 线，它不来自任何特 殊方向；它有光源， 但是被周围的房间或 场景多次反射，最终 达到平衡，以致于变 得没有方向，又称为 背景光。被环境光照 射的物体表面的各个 方向都均等受光，如 图8.7所示。
2021/3/4
计算机图形学
6
8.1.3 HSV颜色模型
• 图8.4 HSV颜色模型
图8.5 颜色三角形
2021/3/4
计算机图形学
7
8.2 光 照 模 型
• 当光照射到一个物体表面上时，会出现三种情形： 首先，光可以通过物体表面向空间反射，产生反射 光；其次，对于透明体，光可以穿透该物体并从另 一端射出，产生透射光；最后，部分光将被物体表 面吸收而转换成热。
• ③ 检索数据文件，核查消隐后的图形中是否包含有 光照模型下的“隐藏面”。若有，则加以阴影符号 标识图形学
13
8.3.2 阴影体
• 在物体空间中，按照阴影的定义，若光源 照射到的物体表面是不透明的，那么在该 表面后面就会形成一个三维的多面体阴影 区域，该区域被称为阴影体(Shadow Volume)。
• 点光源是发光体的最简单的模型，光线从 一点出发，均匀地向四周发散。它是对场 景中比物体小得多的光源的合理的近似。 离场景足够远的光源，如太阳，也可以用 点光源来较好地模拟。
• 柱光源或锥光源是发出的光线有一定方向 的发光体，像手电筒、探照灯等。
2021/3/4
计算机图形学

计算机图形学(真实感图形的显示)课件

计算机图形学(真实感图形的显示)课件
建筑设计
科学家使用计算机图形学来呈现复杂的数据和模拟结果，帮助人们更好地理解科学概念。
科学可视化
02
CHAPTER
真实感图形的显示技术
纹理映射是一种将二维图像映射到三维表面上的技术，以增加物体的表面细节和真实感。
通过纹理映射，可以模拟出物体的表面纹理、质地和图案，如砖块、木材、石材等。
纹理映射还可以用于实现环境贴图、反射贴图等高级效果，以增强场景的真实感。
计算机图形学(真实感图形的显示)课件
目录
计算机图形学简介真实感图形的显示技术3D模型的构建与渲染实时渲染技术未来展望
01
CHAPTER
计算机图形学简介
01
02
03
计算机图形学用于创建逼真的特效和虚拟场景，为电影和游戏提供视觉上的吸引力。
电影和游戏制作
通过计算机图形学，建筑师可以创建三维模型，进行可视化设计和分析。
03
CHAPTER
3D模型的构建与渲染
一款专业的3D建模和渲染软件，广泛应用于游戏开发、电影制作和广告设计等领域。
3D Studio Max
Blender

Maya
开源的3D图形软件，具备建模、动画、渲染和后期制作等功能。
高端的3D动画软件，适用于电影、电视和游戏开发等领域。
03
02
01
定义模型的表面属性，如颜色、光泽度和纹理等。
材质
为模型添加纹理和细节，使其表面更加逼真。
贴图
通过调整材质和贴图的参数，使模型呈现出更加真实的效果。
材质与贴图的结合
骨骼系统
为模型添加骨骼，并设置骨骼的关节和运动范围。
04
CHAPTER
实时渲染技术
实时渲染技术是一种计算机图形学技术，它能够实时生成具有真实感的图形。

Chapt 7 3D真实感图形技术——计算机图形学课件PPT

Chapt 7 3D真实感图形技术——计算机图形学课件PPT

Scene graph Object geometry
Modeling Transforms
Lighting Calculations
Viewing Transform
Objective :
• Scene vertices in 3-D “view” or “camera” coordinate system
Projection Transform
• 2-D screen coordinates of clipped vertices
The Rendering Pipeline: model transforms
Scene graph Object geometry
Objective:
Modeling Transforms
Up direction (ux, uy, uz)
Aperture
Field of view (xfov, yfov)back Film plane
“Look at” point
View plane normal
right
View Plane
Up direction
“Look at” Point
Framebuffer
Display
3D Model
3D Geometric Primitives
Point Line segment Polygon Polyhedron Curved surface Solid object etc.
H&B Figure 10.46
Camera Models
Rendering
Geometric Primitives
Raster Image

《真实感图形》课件

《真实感图形》课件
真的视觉效果。
谢谢您的聆听
THANKS
通过表面细节模拟，可以模拟出物体表面的微观纹理和结构，如皮肤毛孔、金属划痕等，进一步提高 图形的真实感。
03
真实感图形的制作流程
建模阶段
3D模型创建
使用三维建模软件（如Blender、3ds Max等）创建物体模型。
细节处理
对模型进行细节调整，包括平滑表面、修 复错误等。
模型优化
简化模型结构，降低多边形数量，以提高 渲染效率。
案例三：建筑物的真实感表现
总结词：细节丰富
详细描述：该案例展示了如何使用计算机图 形技术来创建具有高度真实感的建筑物模型 。通过精细的模型构建、纹理映射和光照模 型，再现了建筑物的每一个细节，包括砖石 纹理、窗户结构、阴影效果等，使建筑物看 起来更加生动和真实。同时，还探讨了如何 将建筑物与周围环境相结合，营造出更加逼
高级渲染技术应用
使用全局光照、光线追踪等高级渲染技术 ，增强真实感。
后期处理阶段
01
02
03
图像合成
将渲染出的图像与背景进 行合成，以形成完整的场 景。
色彩校正
调整图像的色彩、亮度等 ，使图像更加自然。
特效添加
根据需要添加一些特效， 如景深、运动模糊等，以 增强画面表现力。
04
真实感图形的挑战与未来发展
材质与贴图阶段
材质设定
为模型设定合适的材质属 性，如颜色、光泽度、纹
理等。
纹理贴图
为模型添加纹理贴图，以 增加表面细节和质感。
贴图调整
调整纹理贴图的尺寸、角 度和偏移，使其与模型表
面匹配。
光照与渲染阶段
灯光设置
根据场景需求设置合适的光源，包括主光 源、辅助光源等。
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2020年9月28日
3
颜色
颜色或色彩是通过眼、脑和我们的生活经验所产生 的一种对光的视觉效应
颜色：对不同电磁波长的视觉效应 可见光：
380nm~760nm
2020年9月28日
4
颜色
心理-物理 色调(Hue)-主波长(Dominant Wavelength)
是一种颜色区别于其它颜色的因素，也就是我们平常所 说的红、绿、蓝、紫等
2020年9月28日
26
简单光照明模型
非理想反射面：近似描述了镜面反射光的空间分布
Is Ip K scn o sIp K s(V R )n
Ks：物体表面镜面反射系数，它与入射角和波长有关； α ： 视线与反射方向的夹角； n ：为镜面高光系数，用来模拟镜面反射光在空间中的汇聚程
度，它是一个反映物体表面光泽度的常数；
Id KdIpcos
Kd 是漫反射系数（0～1之间的常数），与物体表面性质有关 Ip 是入射光（光源）的光强； θ是入射光的入射角，即入射光与物体表面法向间的夹角
漫反射可由向量表示为
IdKdIp(NL)
注意若 N Lco s 0，漫反射 Id 0
当存在多个光源时 m Id Kd Ipi (NLi) i1
环境光（Ambient light）
在物体和周围环境之间多次反射后，最终达到平衡时的一 种光，又称为背景光
光强（度）：空间上分布均匀，即任何位置和方向光强度 一样，亮度值记为Ia
反射系数：与物体表面性质有关，决定物体表面呈现的亮 度，记为Ka
光照模型方程
Ie = Ka Ia
Ie为物体表面呈现的亮度
饱和度(Saturation)-纯度(Purity)
颜色纯度
纯度越高：单一波长且更亮（激光）
亮度(Lightness)-明度(Luminance)
光的亮度 光在单位时间内从单位面积向单位立体角所发射的能量
2020年9月28日
5
2020年9月28日
6
颜色
红、绿、蓝三原色 (RGB)
1862年Helmhotz提出 视锥网膜存在三种细胞，分别感应红绿蓝三种颜色
2020年9月28日
15
基础概念
绘制方程（反射项）
视点所见的光亮度
视点方向
光照明：难以模拟真实的BRDF反射
经验模型 物理模型（近似）
2020年9月28日
16
光照明（illumination）
光作用
自发光 反射 透射（透明物体）
包括折射
被物体吸收转化为热能
只有反射光和透射光决定物体的颜色
物体不透明，即没有透射光
光种类
环境光、漫反射光和镜面反射光
光源
点光源
Phong模型
2020年9月28日
20
简单光照明模型
Bùi Tường Phong（裴祥风，1942-1975）
生于越南河内 犹他大学博士学位 提出Phong反射与着色模型
2020年9月28日
21
简单光照明模型
2020年9月28日
17
光照明
简单光照明 局部光照明
只考虑光线直接照射物体表面的情况
整体光照明
考虑光物体之间传播情况
2020年9月28日
18
基本概念
简单光照明
局部光照明 全局光照明 总结 纹理（上机实验，大作业） 阴影（上机实验）
2020年9月28日
19
简单的光照明
近似 假设
2020年9月28日
13
基础概念
反射：
漫反射 镜面发射
真实的反射
2020年9月28日
14
基础概念
真实的反射——BRDF
BRDF(bidirectional reflectance distribution function，二 向反射分布函数)
四维函数：描述面元从 方向接收光的辐射度，经反射 后，反射光在 方向的辐射率
2020年9月28日
24
简单光照明模型
环境光与漫反射光结合
方程： I Ie Id Ia K a Ip K d (L N )
例子：
2020年9月28日
25
简单光照模型
镜面反射（Specular Reflection）
物体表面对入射光的反射 遵循反射定律
（1）反射光与入射光位于表面法向两侧 （2）理想反射面而言：入射角＝反射角 观察者在反射方向上看到反射光最强 高光：光滑物体表面在点光源的照射下形成一块特别亮 的区域
2020年9月28日
Ka = 0.4
Kቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ = 0.8
22
简单光照明模型
漫反射（Diffuse Reflection）
点光源：向周围所有方向发射等强度的光 由物体表面的粗糙不平引起的 空间分布均匀 与视点无关
N L
2020年9月28日
23
简单光照明模型
漫反射光在空间均匀分布，反射光强 I 与入射光的入射 角θ 的余弦成正比，即：
青 (Cyan)、品红 (magenta)、黄三原色（CMY）
印刷
2020年9月28日
7
颜色
颜色空间
C= rR+ gG+ bB (r,g,b)值可能会存在负数
2020年9月28日
8
颜色空间
CIE XYZ颜色空间
三种假想标准原色X、Y 、Z保证 C= (R)X + (G) Y + (B) Z中
(R) 、(G) 、(B) 为正值 (R) 、(G) 、(B)为方向，代表颜色
降维到色度平面(R) +(G)+(B)=1
2020年9月28日
9
基础概念
球面坐标系
2020年9月28日
10
基础概念
立体角（Solid Angle）
投影面积
Anv
2020年9月28日
v
11
基础概念
光通量
单位时间内通过面元的光能量（单位W）
辉度（Irradiance ）
通过单位面积的光通量（单位W/m2）
发光强度(Intensity)
点光源在某个方向上的发光强度
2020年9月28日
12
基础概念
光亮度（Radiance，又名辐射率）
通过单位面积在单位立体角方向上的光通量（单位： W/(sr*m2)）
与辉度关系
Ω为覆盖发光方向的半球
真实感图形的绘制
讲授：邓浩
中南大学地球科学与信息物理学院地理信息系
2020年9月28日
1
基本概念 简单光照明 局部光照明 全局光照明 总结 纹理（上机实验，大作业） 阴影（上机实验）
2020年9月28日
2
基本概念
简单光照明 局部光照明 全局光照明 总结 纹理（上机实验，大作业） 阴影（上机实验）
cosn