真实感图形的绘制

作者：追风剑情发布于：2014-9-21 19:59 分类：计算机图形学

用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感图形必须完成4个基本的任务：

第一，用数学方法建立所构造三维场景的几何描述，并将它们输入计算机。这部分工作可由三维立体造型或曲面造型系统来完成。场景的几何描述直接影响图形的复杂性和图形绘制的计算费用，选择合理而有效的数据表示和输入手段是极其重要的。

第二，将三维几何描述转换为二维透视图。这可通过对场景的透视变换来完成。

第三，确定场景中的所有可见面，这需要使用隐藏面消除算法将被其他物体遮挡的不可见面消去。

第四，计算场景中可见面的颜色，严格地说，就是根据基于光学物理的光照模型，计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和颜色组成，并将它转换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一像素的颜色，最终生成图形。

在光栅图形系统上显示的三维图形的真实感取决于能否成功地模拟明暗效应，这要求设计较好的光照模型，用以计算可见表面应该显示的亮度和色彩。光照模型并不需要精确地考虑真实世界中光线和表面的性质，而只需要在兼顾精确程度和计算成本的要求下，追求更好的显示效果。通常设计一个光照模型需要考虑的主要问题是照明特性、表面特性和观察角度。

照明特性是指可见表面被照明的情况，主要有光源的数目和性质、环境光及阴影效应等。

表面特性主要指表面对入射光线的反射、折射或透明的不同情形，还有表面的纹理及颜色等。

观察角度是指观察景物时观察者相对可见表面所在的位置。

已经有许多不同的光照模型都较好地处理了上述各问题。不同光照模型的区别主要在于模拟的方法，实现的复杂程度及取得的显示效果等方面。

一般来说，光照模型可以分解为3个部分，即漫射照明、具体光源的照射及透射效应。具体光源照明产生的效果又分为漫反射和镜面反射两部分。

物体表面向空间给定方向辐射的光亮度可应用光照模型进行计算。简单的光照模型仅考虑光源照射在物体表面产生的反射光。这种光照模型通常假定物体是光滑的，且由理想材料构成，所生成的图形可以模型出不透明物体表面的明暗过渡，具有一定的真实感效果。复杂的光照模型除了考虑上述因素之外，还要考虑周围环境光对物体表面的影响。如光亮平滑的物体表面会将环境中的其他物体映像在表面上，而通过透明物体也可看到其后的环境影象。这类光照模型称为整体光照模型，它能模拟出镜面映像、透明等精细的光照效果。为了表现自然界中的阴影，在应用光照模型时还需要确定物体表面是否位于阴影区内，以取舍相应光源的照明影响。更精致的真实感图形绘制还要考虑物体表面的细节纹理。这可以通过一种称为“纹理映射”的技术把已有的平面花纹图案映射到物体表面上，并在应用光照模型时将这些花纹的颜色考虑进去。物体表面细节的模拟使绘制的图形更接近自然景物。

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