计算机图形学论文真实感制图技术在图形学中的应用.docx

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1、总分 研究生课程考试试卷考试科目 计算机制图学 考试时间 学 号 姓 名 所属学院 类别（硕士、博士、进修生） 硕士 真实感制图技术在图形学中的应用摘要：在计算机图形学的应用领域, 真实感制图在实际生产生活中的应用己经成为一个重要的研究方向和应用领域,并且己经有相当多的研究人员对其进行了卓有成效的研究与探索。本文介绍了计算机图形学中真实感制图技术的几个研究重点，包括消隐技术、真实感图形显示技术，叙述了其中涉及到的消隐算法的实现、光照模型等有关知识。关键词：计算机图形学；消隐技术；真实感图形；三维地图；The Application of Realistic mapping technology

2、 in Computer GraphicsAbstract: In the application field of computer graphics, realistic drawing on real-life applications of production has become an important research direction and application areas, and has a considerable number of researchers was carried out fruitful research and exploration. Th

3、is article describes the focus of several studies in computer graphics realism mapping technology, including blanking technology, realistic graphics display technology, which describes the knowledge related to the blanking algorithm implementation, illumination model.Key words: Computer graphics; bl

4、anking technology; realistic graphics; 3D map;61. 前言计算机图形学是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。计算机图形学一个主要目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必

5、须建立图形所描述场景的几何表示，再用某种光照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。同时，真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、非真实感绘制，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。在三维地图中光照和阴影的设置有利于增强三维地图的立体表达效果二者相互作用对空间认知具有非常大的影响。 三维地图离不开三维计算机图形技术的支持。三维计算机图形技术由建模纹理和光照3部分组成 。好的光照场

6、景可以隐藏模型中的不满意之处减少纹理着色及定位的工作量。2. 消隐技术2.1 消隐算法的提出真实感图形绘制过程中，由于投影变换失去了深度信息，往往导致图形的二义性（如图1所示）。要消除这类二义性，就必须在绘制时消除被遮挡的不可见的线或面，习惯上称之为消除隐藏线和隐藏面，或简称为消隐，经过消隐得到的投影图称为物体的真实图形。 消隐处理是计算机绘图中一个引人注目的问题，目前已提出多种算法，基本上可以分为两大类： 即物体空间方法和图象空间方法。物体空间方法是通过比较物体和物体的相对关系来决定可见与不可见的； 而图象空间方法则是根据在图象象素点上各投影点之间的关系来确定可见与否的。用这两类方法就可以消

7、除凸型模型、凹形模型和多个模型同时存在时的隐藏面。2.2 消隐算法的实现2.2.1 物体空间的消隐算法 物体空间法是在三维坐标系中，通过分析物体模型间的几何关系，如物体的几何位置、与观察点的相对位置等，来进行隐藏面判断的消隐算法。世界坐标系是描述物体的原始坐标系，物体的世界坐标描述了物体的基本形状。为了更好地观察和描述物体，经常需要对其世界坐标进行平移和旋转，而得到物体的观察坐标。物体的观察坐标能得到描述物体的更好视角，所以物体空间法通常都是在观察坐标系中进行的。观察坐标系的原点一般即是观察点。物体空间法消隐包括两个基本步骤，即三维坐标变换和选取适当的隐藏面判断算法。选择合适的观察坐标系不但可

8、以更好地描述物体，而且可以大大简化和降低消隐算法的运算。因此，利用物体空间法进行消隐的第一步往往是将物体所处的坐标系转换为适当的观察坐标系。这需要对物体进行三维旋转和平移变换。 常用的物体空间消隐算法包括平面公式法、径向预排序法、径向排序法、隔离平面法、深度排序法、光线投射法和区域子分法。其中前三种算法最常用，它们的基础都是背面消隐原理。所谓背面消隐原理，即是相对观察点来说朝向后面的物体表面是不可见的，应被隐藏。下面只对平面公式法作详细介绍，其他方法可参看有关文献。 根据解析几何原理，通过标准的平面方程可以判断给定点是在平面的正面还是背面。平面公式法利用此原理来判断观察点位于物体表面的哪一面，

9、如位于背面一侧，则表面不可见，应被消隐； 反之则可见。对物体的任意表面，可将其划分为若干个平面，在根据平面上任意三点的坐标可以求得其平面方程。标准的平面方程为：Ax+By+Cz+D=0； 其中A、B、C、D 为决定平面的常数。当把一个平面想象成一个凸型多面体时，设观察点坐标为（x，y，z），如果：Ax+By+Cz+D=0，则观察点（x，y，z）是该平面表面上的一个点；Ax+By+Cz+D0，则观察点（x，y，z）在凸型多面体内部（称该表面是不可见的或隐藏的）；Ax+By+Cz+D0，则平面不可见，应被隐藏；D0，则平面是可见面，应被画出。平面公式法算法简便，安全可靠，是在实际中使用最频繁的消隐

10、算法。但它只能用于凸面体的消隐，而不适用于凹面体消隐。2.2.2 图像空间的消隐算法 图象空间法基于物体三维模型的二维显示图形来确定物体或表面上的每一点与观察点的远近关系，从而判断哪些表面遮挡了其它表面。为了获得三维物体的二维显示图形，在对物体进行旋转和平移变化后，还需对物体进行透视投影变换。图像空间法包括Z缓冲区法、扫面线法、光线投射法和极值检测法等几种。以下是这几种算法的比较。Z缓冲区消隐算法简单、可靠，而且消隐和表现效果很好。但需要的内存容量大，运算复杂，费时；扫描线法克服了Z缓冲区法需要分配与屏幕上象素点的个数相同单元的巨大内存这一缺点；光线投射法的思想是： 考察由视点出发穿过观察屏幕

11、的一象素而射入场景的一条射线，则可确定出场景中与该射线相交的物体。在计算出光线与物体表面的交点之后，离象素最近的交点的所在面片的颜色为该象素的颜色； 如果没有交点，说明没有多边形的投影覆盖此象素，用背景色显示它即可。极值检测法需与其它消隐算法结合适用，主要用来提高消隐速度。极值检测法通过计算物体表面的显示坐标的极大和极小值来判断这两个表面是否存在重叠。2.2.3 物体空间和图像空间的消隐算法 这是两种算法的综合，主要包括深度分类方法和八叉树方法等。深度分类方法通常需要产生和维持数据库，这些数据库包含深度信息和画图次序信息。它使用整个平面作为画图次序的标准，这种方法简便，快速。三维物体八叉树表示

12、是近几年探索物体在计算机内新的表示模式的研究成果。物体的八叉树表示是一种层次数据结构，这种数据结构大大简化了隐藏面的消除，如图1所示。八叉树可以在图象空间以编码的方式表示，也可以在物体空间根据视点的正、负号来决定可见性。采用八叉树表示物体的最大缺点是运算时占用的存贮量大。实际上，物体的八叉树表示是以扩大存贮空间换取了算法上的简化。图1 八叉树结构Fig.1 The octree structure3 真实感图形显示技术真实感图形显示就是使计算机所绘制出的图形更能真实地再现物体，并与真实世界中的物体更接近。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

13、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。真实感图形绘制是计算机图形学的一个重要组成部分。3.1 光照模型 计算机图形学中真实感成像包括两部分内容：物体的精确图形表示和场景中光照效果的适当物理描述。光照效果包括光的反射、透明性、表面纹理和阴影。 在下面的讨论中，假定光源为点光源。从某点光源照射到物体表面上一点，再反射出来的光，可以分为三部分：环境光、漫反射光和镜面反射光。 为可见物体的光照效果建立模型是一个非常复杂的过程，计算机图形学中光照模型可以由描述物体表面明暗度的物理公式推导出来。为了减少明暗度计算量，通常采用简化的光照计算经验模

14、型。下面介绍一些基本的光照模型。3.1.1 环境光一个物体表面即使不直接暴露在光源下，只要其周围的物体被照亮，它也可能看得见，称为环境光。环境光没有空间或方向上的特征，在所有方向上和所有物体表面上投射的环境光数量都恒定不变。 由于环境光只能为每个面产生一个平淡的明暗效果，因而在绘制场景时很少仅考虑环境光作用。3.1.2 漫反射设物体表面在P点的法矢为N； 从P点指向光源的矢量为L；N与L的夹角为；若N与L的夹角小于0或大于90度，则光线被物体自身遮挡而照射不到P点。由Lambert余弦定理可得点P处漫反射光的强度为： 如有多个点光源： 3.1.3 镜面反射 镜面反射情况由Phong模型给出：

15、考虑到受距离影响的衰减，上式重写为： 3.1.4 简单光照模型从视点观察到物体上任一点P处的光强度I应为环境光反射光强度Ie、漫反射光强度Id以及镜面反射光的光强度Is的总和。在RGB颜色模型中，把入射光强I设为三个分量，分别代表RGB三基色的光强，通过这些分量的值来调整光源的颜色。同样的，Ka、Ks、Kd也有三个分量。于是，RGB颜色模型形式： 3.2光照与阴影的空间认知功能光照与阴影所产生的视觉效果的变化是使人们产生真实感的重要来源。视觉变量是指能引起视觉差别的图形和色彩变化因素。对于光照与阴影而言虽然光照最终主要以阴影的形式表现出来但是它们各自都存在一套影响空间认知的视觉变量 光照的视觉

16、变量主要包括光源位置光照方向光源颜色光照强度光线覆盖面的形状光线覆盖面的大小等阴影的视觉变量主要包括阴影的形状方向尺寸明度硬度颜色等其中阴影的硬度从阴影边缘的尖锐度清晰度可以明显地表现出来 光照与阴影视觉变量的设置决定了最终的光影视觉效果。在三维图行中光照与阴影的空间认知功能主要表现在如下几个方面（1）光照与阴影有利于增强三维图形的立体表达效果使三维地图更加生动更具真实感能够增强三维地图的视觉效果和解译能力（2）光照与阴影能够引导人们在认知过程中的视觉联想性思维例如通过光源的明暗阴影的方向等可以判断所处的时间（3）光照与阴影能够定义地物之间的空间关系有利于形成正确的心象地图进而指导人们的空间行

17、为 如图2添加光照与阴影之后才可以清晰地判断出两球是相离的且小球离墙壁更近。 图2光照与阴影定义空间关系Fig.2 light and shadow to define spatial relationships diagram （4）光照与阴影有利于展现出不同角度的地轮廓丰富人们从图面上获得的感知信息。（5）光照与阴影可以增强三维构图 阴影能够将观察者的目光吸引到渲染的重点部分或是创建出新的设计元素来平衡构图从而影响人们的选择性思维和视觉注视思维（6）光照与阴影能够增加三维对比度 如图3所示右图增加光照与阴影后使得图面渲染的深度与清晰度得到了增强人们可以轻易将处于阴影区的高楼从图面背景中区分

18、开来图3光照与阴影增加图面对比度Fig.2 lightand shadowincreasethe contrast（7）相对于镜头中直接可见的实际地物由不可见的地物因光照而投射的阴影能够暗示出图面之外的空间地物的存在如图3引导人们的视觉联想性思维。4. 光影在三维地图中的应用在三维地图中光照和阴影的设置有利于增强三维地图的立体表达效果二者相互作用对空间认知具有非常大的影响。三维计算机图形技术由建模纹理和光照3部分组成。如果要进行三维地图的制作，就要考虑太阳光照。三维地图的主要光源是太阳，光影模型应主要针对太阳光进行模拟，在现实生活中光照与阴影受到多方面因素的影响如天气季节时间地理位置等这些因素

19、直接影响到光照与阴影的视觉变量设置光影模型的建立必须研究它们对光照与阴影的影响特点与规律。人们在长期的空间活动中已经积累了很多关于光照与阴影的常识性知识表现在空间认知的过程中形成了非常深刻的长时记忆如太阳从东边升起到西边落下早晨和黄昏的时候光线柔和阴影较淡较长中午的时候光照强烈阴影较浓较短等。地图空间认知过程的高级阶段即思维过程阶段其显著特点之一就是具有概括性，表现在反映事物之间本质的联系和规律上。在利用三维地图进行空间认知时通过图面上表现出来的光影造型就会联想到这些存储于长时记忆中的知识，进而解译出三维场景所处的时间方向等信息。为了准确地通过三维地图传递时空信息光影模型还必须充分考虑人们的空

20、间认知习惯，此外一个好的光影模型还应该在理论上具有合理性或严密性能产生较好的立体视觉效果和较小的计算量以保证较快的绘制速度避免影响三维地图的整体渲染速度。光照与阴影作为三维地图场景要素的重要组成部分，其色彩表达并没有受到太多的重视，可以建立三维地图光影模型，模拟了在不同天气状况下条件下处于不同经纬度的地区随时间变化而变化的光影效果，并从色彩学的角度出发对不同光照条件下光照与阴影在三维地图图面上表现出来的颜色变化规律加以研究，这将使未来三维地图的可视化的效果更加贴近实际。 5.结论 计算机图形学的研究分为两个部分：一部分研究几何作图，它包括平面线条作图和三维立体建模等；另一部分研究图形表面渲染，

21、它包括表面色调、光照、阴影和纹理等表面属性的研究。目前，计算机图形学的应用已深入到真实感图形、科学计算可视化、虚拟环境、多媒体技术、计算机动画、计算机辅助工程制图等领域。消隐、光照与阴影是制作真实感图形的重要组成部分，但色彩表达并没有在三维地图中有长足发展，它的进一步发展有力于三维地图真实感的增强，还有巨大的发展空间。总之计算机图形学成为当代几乎所有科学和工程技术领域用来加强信息理解和传递的技术和工具。与此同时，计算机图形学的硬件和软件应用本身已发展成为一个巨大的产业，有着广泛的发展前景，必将在人们的生活中起着越来越重要的作用。2 慕乾华.计算机图形学在实践中的应用J.价值工 程,2010.3.3 鲍蕾,耿聃.浅谈计算机图形学的应用J.科教文汇（上旬刊）, 2009.6.4 赵卫东，卫刚，李启炎.在OpenGL下面消隐和线消隐的实现J.计算机工程,2002(6).5 潘华,郭辉. 浅谈二维CAD系统绘图装配消隐的实现J. 机械研究与应用,2004.3.6 靳海亮, 高井祥. 图形消隐算法综述J.计算机与数字工程, 2006(9).7 任鸿翔,王科伦,金一丞.光照模型与Creator中的明暗处理J.大连海事大学学报, 2003.5.8 杨乃,孔凡秋,杨鸿海等基于空间认知的三维地图光影模型J测绘学报.2012参考文献：1 孙家广.计算机图形学M.北京;清华大学出社,1998.