真实感图形生成参考58页PPT

第九章：真实感图形学
精确的重叠测试如果所有测试失败，就必须对多边形在XY平面上的投影作求交计算计算时不必具体求出重叠部分，只要能判断出前后顺序即可最简单的方法是对每对边(一条P边，一条Q边)作线段求交测试，若没有循环重叠情况，则只要求出第一个交点，在交点处进行深度比较即可确定二者顺序画家算法原理简单。其关键是如何对场景中的物体按深度排序它的缺点是只能处理互不相交的面，而且深度优先级表中面的顺序可能出错。在两个面相交，三个以上的面重叠的情形，用任何排序方法都不能排出正确的序。这时只能把有关的面进行分割后再排序
第九章：真实感图形学
否则，窗口内含有两个以上的面，则把窗口等分成四个子窗口。对每个小窗口再做上述同样的处理。这样反复地进行下去。如果到某个时刻，窗口仅有象素那么大，而窗口内仍有两个以上的面，这时不必再分割，只要取窗口内最近的可见面的颜色或所有可见面的平均颜色作为该象素的值
四叉树算法假设全屏幕窗口分辨率为1024×1024。窗口以左下角点(x，y)和边宽s定义。下图为使用栈结构实现的区域子分割算法流图。由于算法中每次递归的把窗口分割成四个与原窗口相似的小窗口，故这种算法通常称为四叉树算法
第九章：真实感图形学
Southerland根据消隐空间的不同，将消隐算法分为三类
物体空间的消隐算法 (光线投射、Roberts) 将场景中每一个面与其他每个面比较，求出所有点、边、面遮挡关系
图像空间的消隐算法 (Z－buffer、扫描线、warnock)对屏幕上每个象素进行判断，决定哪个多边形在该象素可见
消隐的对象是三维物体。三维体的表示有边界表示和CSG(结构实体几何学)表示等。最简单的表示方式是用表面上的平面多边形表示。如物体的表面是曲面，则将曲面用多个平面多边形近似。 消隐结果与观察物体有关，也与视点有关。 按消隐对象分类

过程动画技术
过程动画的概念
通过定义物体的运动规律或过程，由计算机自动生成动画。
过程动画的实现方法
基于物理模拟、基于过程建模、基于行为建模等。
过程动画的应用场景
自然现象的模拟（如风、雨、雪）、物体的变形和破碎效果等。
基于物理的动画技术
基于物理的动画概念
利用物理引擎模拟现实世界中的物理现象，生成逼真的动画效果 。
表面模型（Surface Model）
用多边形面片逼近三维物体的表面。
实体模型（Solid Model）
定义三维物体的内部和外部，表示物体的实体。
光线追踪（Ray Tracing）
模拟光线在三维场景中的传播，生成真实感图形。
三维图形的变换与裁剪
几何变换（Geometric Trans…
包括平移、旋转、缩放等变换，用于改变三维物体的位置和形状。
如中点画圆算法，利用圆 的八对称性，通过计算决 策参数来生成圆。
多边形的生成算法
如扫描线填充算法，通过 扫描多边形并计算交点来 生成多边形。
二维图形的变换与裁剪
二维图形的变换
包括平移（Translation）、旋转（Rotation）、 缩放（Scaling）等变换，可以通过变换矩阵来实 现。
二维图形的裁剪
Screen-Space Methods
利用屏幕空间信息进行半透明 物体的渲染，如屏幕空间环境 光遮蔽（SSAO）和屏幕空间 反射（SSR）。
06
计算机动画技术
Chapter
计算机动画概述
计算机动画的定义
01
通过计算机生成连续的动态图像，实现虚拟场景和角色的动态
表现。
计算机动画的应用领域
02
影视特效、游戏设计、虚拟现实、工业设计等。

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
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• 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
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第三 确定场景中的所有可见面。 〔消除隐藏面算法〕

10800 rays used in lighting pass.Note:-improved caustic definition,-lighting effect of mirror, -reflection of caustic,-shadowing due to mirror lighting.CausticsFrom Alan Watt, “3D Computer Graphics”Standard raytracer:Diffuse table and blue ball,mirrors left, right and back, transparent red ballBi-directional raytracer More rays in the light passSingle Pass (Conventional RT)Note : caustic due to red transparent ballHenrik http://www.gk.dtu.dk/~hwjBidirectional example200 rays used in lighting pass 400 rays used in lighting passRefraction causticsHenrik http://www.gk.dtu.dk/~hwj15Direct illumination 16Global Illumination17eyediagram photograph:18Original sculpture by John Ferren lit by daylight from behind.Image rendered with radiosity. note color bleeding effects.Ray traced image. A standard ray tracer cannot simulate the interreflection of light between 19Radiosity vs. Ray TracingRay-tracingView-dependentSpecular and refractionRadiosityView-independent Diffuse only20Radiosity vs. Ray Tracing•Ray tracing is an algorithm–If the camera is moved, we have to start over•Radiosity is computed in object-space–View-independent (just don't move the light)–Can pre-compute complex lighting to allow interactive walkthroughs26The Rendering EquationxMuseum simulation. Program of Computer Graphics, Cornell University.50,000 patches. Note indirect lighting from ceiling.32Radiosity Overview在辐射度方法中，所有的景物表面都假设为理想的朗伯漫反射表面所有的入射光在各个方向上反射的光强都一样整个场景被划分为一系列的小区域（small areas, or patches ）设小区域i 向外辐射的所有能量的辐射度为Bi,并认为在i 内所有地方的辐射度为一个常数单位如下，表示单位立体角单位面积的瓦特数:Watts / steradian * meter 2x'ω'x'xxx’Discrete Radiosity EquationA iA j•discrete representation•iterative solution•costly geometric/visibility calculationspatches, over which the radiosity =i B The Radiosity Matrix求解该矩阵，就可以为每一个patch 得到一个B i ，它与视点是无关的。

Phong对表面法线进行插值
Phong对表面法线进行插值
扫描线
颜色模型
颜色模型是指：某个三维颜色空间中的一个可见光子集，
它包含某个颜色域的所有颜色。例如，RGB颜色模型是在 三维直角坐标颜色系统中的一个单位正方体。颜色模型的用 途是在某个颜色域内方便地指定颜色。任何一个颜色域都无 法包含所有的可见光。
• Gouraud明暗处理：（由Gouraud提 出的强度插值模式）
只在多边形顶点处的平均单位法向量按上式 计算明暗度，而对于多边形内各点，用顶点 的明暗度的线性插值算出。线性插值可以与 扫描线算法配合，用增量计算实现。
• 缺点
要求光源方向与视线的方向比较接近。一般 二者方向角不超过45°为宜。（否则对高 光处理有误）
HSY (Hue, Saturation, Value)
– 色彩、浓度、亮度
纹理
• 纹理：表面细节。 • 颜色纹理：通过颜色色彩或明暗度的变化凸显出来的表面细
节。
• 凸包纹理：由于不规则的细小凹凸造成的表面细节。 • 可以通过纹理映射的方法给计算机生成的物体图象
加上纹理。 • 纹理生成的方法：
在一平面区域（即纹理空间）上预先定义纹理图案；然后建立 物体表面的点与纹理空间的点之间的对应（即映射）。当物体 表面的可见点确定之后，以纹理空间的对应点的值乘以亮度值， 就可以把纹理图案附到物体表面上。可以用类似的方法给物体 表面产生凹凸不平的外观，或称凸包纹理。不过这时纹理值作 用在法向量上，而不是颜色亮度上。
• 线消隐（Hidden-line Removal）
用于线框图，消隐对象是物体上的边，消除 的是物体上不可见的边。
• 面消隐（Hidden-surface Removal）

简单光照明模型
◦ 那么，对于任意一点的漫反射亮度光照明方程：

Id 漫反射的亮度 Ip p点光源的亮度 Kd漫反射系数 θ入射角
漫反射光的强度 只与入射角有关
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简单光照明模型
◦ 设N为物体表面的单位法 向量，L为表面上一点指 向点光源的单位向量：则
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简单光照明模型
◦ 将环境光与漫反射结合起来 ◦ 一般取Ia= (0.02～0.2)Id ◦ 缺点：对于许多物体，使用上式计算其反射光是 可行的，但对于大多数 的物体，如擦亮的金属 、光滑的塑料等是不适 用的，原因是这些物体 还会产生镜面发射。
投影面上光源辐射的能量的感知属性。
饱和度：对于明度的一个区域的色彩，是指颜色的
纯洁性，它可用来区别颜色敏感的程度。

色调：是指颜色的外观，通常是指纯度和主频率两
种颜色特征，它用于区别颜色的名称或颜色的种类 。对颜色的感觉实际上就是视觉系统对可见物体辐 射或者发射的光波波长的感觉。色调用：红、橙、 黄、绿、蓝、青、紫等术语来刻画。
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光源

几何性质
◦ 点光源 ◦ 线光源 ◦ 面光源

光谱组成
◦ 白色光:等能量的各种波长可见光的组合 ◦ 彩色光 ◦ 单色光
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相关物理知识

光的传播
◦ 反射定律：入射角等于反射角，而且反射光线、 入射光线与法向量在同一平面上
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相关物理知识
◦ 折射定律：折射线在入射线与法线构成的平面上 ，折射角与入射角满足
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简单光照明模型
◦ Phong光照明模型的综合表述 由物体表面上一点P反射到视点的光强I为环境光的 反射光强Ie、理想漫反射光强Id、和镜面反射光Is的 总和。

光源的照射角
只有在光源照射范围之
内的空间点可以被光照 到
环境光
是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。 我们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，即在任 何位置、任何方向上强度一样,记为Ia 在分布均匀的环境光照射下，不同物体表面所呈现的 亮度未必相同，因为它们的环境光反射系数不同，环 境光反射系数记为Ka 。
对象空间：三维场景的描述空间 对象空间法：在物体描述空间中，根据物体的
几何关系计算物体的哪些部分可见，其目的是 消去那些不可见的面或面的不可见部分 例如：以空间中的三维平面作为分析对象，通 过比较各平面的参数来确定它们的可见性
表优先级算法、BSP算法、Weiler-Atherton算
m i 1
K a I a f i I p [ K d ( Li N ) K s (V Ri ) n ]
i 1
m
Phong模型特点分析
模型简单，便于实时绘制 是一个经验模型，可以达到一定的真实度
还具有以下的一些问题 用Phong模型显示出的物体像塑料，没有质感 环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光 镜面反射的颜色是光源的颜色，与物体的材料无关 镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真
（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

引
言
• 为了更好地表现出由于物体表面材料不同 而引起的不同视觉感受，表现光源形状、 颜色、及照明区域等因素对照明效果的影 响等，需要建立更能精确反映客观世界的 光照明模型。本章将要介绍的TorranceSparrow 模型和Cook-Torrance模型等就是 这样一些能更好地模拟自然界光照明物理 过程的光照明模型。而一些更为精确的计 算模型，如辐射度算法，则考虑了场景中 光源与物体表面间辐射能量的传递来计算 光强度。
• 包围盒技术是用几何形状相对简单的封闭表面 （如长方体、球、圆柱等）将一复杂景物包裹起 来，如图12.6中的虚线为最简单的椭球形包围盒。 • 优点：场景分层次表示法和包围盒技术用光线与 少量形状简单的包围盒的求交测试取代与大量景 物表面的求交计算,提高了算法效率。 • 缺点：这种方法的问题在于许多情况下简单的包 围盒不能紧密地包裹其中所含的景物,因此降低 了包围盒测试的可靠性。而复杂的包围盒又将导 致光线和包围盒的求交计算变得困难。
12.1.2 Whitted光照明模型
• 规则透射方向t可写成如下形式
t = k f (N 0 − V ′) − N 0
其中
| N0 | kf = [(η 2 / η1 ) 2 | V ' | 2 − | N 0 − V ' | 2 ]1 / 2
下面讨论如何确定 k f
12.1.2 Whitted光照明模型
σσ+
视点 图12.8 BSP树的遍历
Root 1 3 0 2 4 5 6 8 9 1 3 2 0 04 4 5 7 8 6 69 9 13 024 57 689 7 01234 56789
图12.9 二维场景及其BSP树
• 3. 基于网格剖分的光线跟踪 首先求光线在当前网格中的出口，然后将该点沿 光线前进方向做微小移动，使 P 点为光线即将进 入的下一个网格的一个内部点。根据光线前进的 特点，光线位于下一个网格内的区段上各点的参 数值一定大于光线在当前网格内各点的参数。设 光线在当前网格的出口点参数为t（当然它也是下 一个网格的入口参数）。这样只要将t加上一个很 小的正挠动量，就得到点 P 的参数值。确定了 P 的位置就可确定它所在的叶结点空间。然后将光 线与该叶结点空间中所含的景物进行求交测试。 若存在有效交点，则结束光线跟踪；否则继续跟 踪进入相邻的下一空间区域，直至该光线射出空 间或求得有效交点为止。

红
蓝
品红
图10-3 HSV正六边形
12
13
V
绿
黄
白
红
青
蓝
品红
H S
黑
图10-4 HSV 颜色模型
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HSV六棱锥
HSV圆锥
15
色泽
白
纯色
灰色色调色深黑 Nhomakorabea图10－5 色泽、色深和色调的关系图
16
表10-1 RGB和HSV的对应关系 图10-5 Photoshop 软件中表示的RGB模型和HSB模型的转换 17
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从上面的顺序中，可以很明显地感到各种油墨添加后的 效果。在印刷过程中，纸张在各个滚筒间传送，可能因为热 胀冷缩或者其他的一些原因产生了位移，这可能使得原本该 印上颜色的地方没有印上。为了检验印刷品的质量，在印刷 各个颜色的时候，都会在纸张空白的地方印一个+符号。如果 每个颜色都套印正确，那么在最终的成品上只会看到一个+符 号。如果有两个或三个，就说明产生了套印错误，将会造成 废品。
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10.2.2 环境光模型
环境光是环境中其它物体散射到物体表面后再反射出来的 光。由周围物体多次反射所产生的环境光来自周围各个方向， 又均匀地向各个方向反射。
环境光的反射光强Ia可表示为
I e ka I a ，0.0≤ka≤1.0
（10-4）
P
图10-9 环境光几何表示
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10.2.3 漫反射光模型
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在图像交付印刷的时候，一般需要把这四个通道的灰度 图制成胶片(称为出片)，然后制成硫酸纸等，再上印刷机进 行印刷。传统的印刷机有4个印刷滚筒(形象比喻，实际情况 有所区别)，分别负责印制青色、品红色、黄色和黑色。一张 白纸进入印刷机后要被印4次，先被印上图像中青色的部分， 再被印上洋红色、黄色和黑色部分，顺序如下图：

*
假定四边形图案的四角映射到四边形曲面片四角片，即 u＝0，w＝0，在θ＝0，Φ＝π/2 u＝1，w＝0，在θ＝π/2，Φ＝π/2 u＝0，w＝1，在θ＝0，Φ＝π/4 u＝1，w＝1，在θ＝π/2，Φ＝π/4 可解得 A＝π/2，B＝0， C＝一π/4， D＝π/2 故由uw空间在θΦ空间的线性映射函数为： θ＝u·π/2，Φ＝π/2 －w·π/4 由θΦ空间至uw空间的逆映射为： u＝θ/ (π/2 ) w=（π/2 －Φ）/ (π/4)
（2）然后按实际的视点位置和观察方向，对物体实施消隐 算法，生成真正消隐后的立体图形；
（3）检索数据文件，核查消隐后生成的图形中，是否包含有在光照模型下的“隐藏面”。如有，则加以阴影符号标识这些面。
Z缓冲器方法
光线跟踪法
影域多面体方法 投射阴影生成方法
投射阴影生成方法 1、影域多面体方法 基本思想：先求出景物空间中光线被该物体轮廓多边形所 遮挡的区域，即影域多面体。然后 再判断其后物体是否在 该影域内，若在影域内为阴影。
四、影响真实感图形因素
物体本身形状
照射物体光源
物体与光源相对位置
物体周围环境
*
简单光照模型 一个物体表面为什么会出现 明暗、颜色等，主要由于物体发 光达到人眼的结果。 光照在物体表面上有三种情况： 反射光：光通过物体表面被反射； 透视光：对于透明物体光穿过该物体而从另端射出； 光被物体吸收而变成热。 我们视觉效果是反射光和透视光。
与漫反射不同，镜面反射光与物体颜色无关。
当光源不只一个，而是有m个光源，则上式可写为： 这就是简单光照模型。
Phong光照模型 综上所述，从视点观察到物体表面上任一点亮度I应为环境 光、漫反射光、镜面反射光的总和，即： I＝Ie＋Id＋Is 即： I＝Ie Ka＋Ip (Kd cosθ＋K s cosnφ)

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。

n i 1

m
矢量积形式
I K a I a I i ( K d ( N , L) k s ( N , H ) )
n i 1
m
20
Phong模型
Phong模型的光照明效果（Utah Teapot）
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Whitted整体光照明模型

局部光照明模型的局限


仅考虑从光源直接发出的光线对物体表面光亮度的 贡献 没有考虑光线在物体之间的相互反射和透射 可模拟现实世界中 景物表面之间的 镜面反射和透射 现象
镜面反射和规则透射示例
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Whitted整体光照明模型

Whitted整体光照明模型
I I c k s I s kt I t
Ic：由光源直接照射在表面上引起的反射光亮度 Is：沿V的镜面反射方向r入射到表面上的环境光在表面上产生的 镜面反射光 It：沿V的规则透射方向t入射到表面上的环境光通过透射在表面 上产生的规则透射光 ks：表面的镜面反射率 kt：表面的透射率

8
Lambert漫反射模型

漫反射光是物体表面对入射光线朝各个方向的 均匀反射

大小只与入射光的光亮度和入射方向有关 与漫反射光的反射方向无关
光源 N
均匀反射的光线
9
Lambert漫反射模型

漫反射光亮度和光源入射角（入射光线和表面 法向量的夹角）的余弦成正比
I d K d I e cos

Whitted模型：整体光照明模型

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Whitted整体光照明模型

假设从某一观察方向V所观察到的物体表面某点 P的光亮度的贡献来自于三个方面：

PowerPoint制作逼真效果3D立体图形教程如果ppt课件里面有3D效果的图片，将会让你的课程内容更加漂亮的同时也更加容易让人理解。

我们其实不用花很多精力去学习专业的3D软件，用PowerPoint的三维设置功能，照样可以制作逼真的3D效果课件。

Microsoft Office 下载地址：/soft/67790.html制作三维立体图首先，插入平面自选图形，如矩形、圆形等。

然后，单击绘图工具栏上的〔三维效果样式〕按钮，为自选图形选择一种立体效果。

打开三维设置工具栏单击〔三维效果样式〕按钮，选择“三维设置”命令，即可打开“三维设置”工具栏，栏上的每个按钮都有特定的功能（如图1）。

进行3D演示单击〔设置/取消三维效果〕按钮，可以实现平面图形和立体图形之间的快速切换。

单击〔深度〕按钮，可以选择不同的深度值，从而快速改变三维深度（如果您选择了“无穷”，还可以制作出锥体效果）。

单击〔方向〕按钮，可以快速改变三维方向，还可以在透视效果和平行效果之间快速切换。

单击〔照明角度〕按钮，可以快速改变三维图形各表面的光照强度，以突出图形的不同侧面。

此外，您还可以选择照明的亮度是“明亮”、“普通”还是“阴暗”。

单击〔表面效果〕按钮，可以为三维图形表面选择不同的效果。

特别值得一提的是，如果您选择了“透明框架”效果，图形将失去填充色，由实体快速转换为透明框架，这在几何教学中是非常实用的。

技巧链接：单击绘图工具栏〔填充颜色〕按钮旁的小三角，选择“其他填充颜色”，在随后弹出的窗口中可以调节色彩透明度，调节后的三维图形就会呈现前表面半透明的特殊效果（如图2）。

单击〔三维颜色〕按钮旁的小三角，可以为三维效果选择一种与前表面不同的填充颜色。

连续点击〔下俯〕、〔上翘〕或〔左偏〕、〔右偏〕按钮，整个三维图形就会随着控制动起来，角度、方向都可任意变动。

技巧链接：如果配合使用绘图工具栏的〔自由旋转〕按钮（在PowerPoint 2002/2003版本中则为图形上的绿色旋转控制点），就更可实现三维图形的灵活转动，几乎可以达到随心所欲的效果（如图3）。