三维可视化基础

光照
一般三维引擎光照模型将光归纳为两类：环境光和直射光 环境光，和自然界中的一样，没有实际的方向和光源，只有颜色
和光强 。它给各处提供一个较低级别的光强 直射光是场景中的光源产生的光，它总是具有颜色和强度，并沿
特定的方向传播。 直射光类型：点光源、聚光灯和平行光
着色模式
用于控制渲染多边形的着色模式完全影响到渲染结果。着色模式 决定多边形表面上任意一点上颜色的强度和光照计算方式
DEM数据组织
DEM库采用金字塔结构存放多种空间分辨率的地形数据，同一分 辨率的栅格数据被组织在一个层面内，而不同分辨率的地形数据具有上 下的垂直组织关系：越靠近顶层，数据的分辨率越小，数据量也越小， 只能反映原始地形的概貌；越靠近底层，数据的分辨率越大，数据量也 越大，更能反映原始地形详情
数据分块调度
图元
3D颜色表达
3D引擎一般采用红(R)、绿(G) 、蓝(B)和阿尔法(A)——描述颜色， 并将它们合成，产生最终颜色。R、G、B、A称之为颜色通道， 其中A描述了色彩的透明度属性。
表达颜色的Bit－即色深－决定了颜色的表现力和丰富程度。 OpenGL采用float精度也就是4个字节表现一个颜色通道，而 Direct3D采用Byte精度也就是1个字节表现一个颜色通道。
使用 MIP-MAP ，还可以有效解决纹理走样问题。
多重纹理映射
相比最初来说，单一纹理映射已给整个3D真实感图形带来很大的 不同，但使用多重纹理甚至可以达到一些更加令人难忘的效 果。
填充模式
平移、旋转、缩放
拾取
三维应用程序中，拾取算法的思想很简单：得到鼠标点击处的屏 幕坐标，通过投影矩阵和观察矩阵把该坐标转换为通过视点和鼠 标点击处的一条射入场景的光线，该光线如果与场景模型的三角 形相交，则获取该相交三角形的信息。
形成和原始表面近似且无缝无叠的简化连续三角化表面。
Lever=1
顶点
1
左邻接区
右邻接区
左顶点
左子树
右子树
中点
底部邻接区域
Lever=2
右顶点
23
Lever=3 5
4
6 7
层次细节模型——裂缝
裂缝的产生：
在建立地表模型时，如果只是单纯孤立地 绘制各个分块，而不考虑它们之间的联系，那 么就会出现块间的“裂痕”现象。
产生原因 ：
相邻分块在公共边上的处理方式不一致。
层次细节模型——裂缝消除
层次细节模型——视觉平滑
模型层次切换时，采用几何形状过渡方法形成视觉 的光滑过渡 ,即将新增点随视点的拉近从起始位置逐渐移 动到最终位置。
格网立体图
生成真实感图形基本步骤
1、建立模型 模型的建立分以下三个小步： （1）建立物体的几何模型，设定物体的光学属性，其中多 边形建模方法是最常用的模型表示方法，该方法将对象简 化成一系列多边形表面。物体的光学属性包括对光的漫反 射系数、镜面反射系数、折射率、透明度、颜色、纹理、 粗糙度等 ； （2）设定光源的位置、形状及光学特性； （3）设定视点和视屏位置。 2、计算视屏上各像素点的颜色 ： （1）不可见面消除； （2）阴影计算； （3）光照颜色计算 选择合适的光照模型，计算在光源照射 下物体表面各可见点对视屏上各像素点的光贡献，由此求 出视屏上各像素点的颜色值。 3．显示计算到屏幕上。
纹理压缩算法：
color_2 = (2 * color_0 + color_1 + 1) / 3; color_3 = (color_0 + 2 * color_1 + 1) / 3;
MIP-MAP纹理映射
引擎用来减少纹理内存和带宽需求的另外一个技术就是 MIP－MAP。 MIP 映射技术通过预先处理纹理，产生它的多个拷贝纹理，每个相 继的拷贝是上一个拷贝大小的1/4。
视域范围计算
层次细节模型
Level of Detail: 一种实时三维计算机图形技术，
规则网
最先由Clark于1976年提出。 工作原理:
三角网
视点离物体近时，能观察到的模
型细节丰富；视点远离模型时，观察
到的细节逐渐模糊。系统绘图程序根
据一定的判断条件，选择相应的细节
进行显示，从而避免了因绘制那些意
除了Specular属性，其余每个属性都用一个RGBA颜色描述， 表示该材质对某一给定类型光的红、绿和蓝成分的反射度， 以及一个阿尔法混合因子——RGBA颜色的A。
材质效果图
雾
纹理
计算机图形学中，纹理指的是一张表示物体表面细节 的位图。
纹理映射：
纹理坐标
纹理压缩
越真实的场景就要求纹理的数量越多，质量越高，这对系统带宽 和显存负担很大，因此自然想到对纹理进行压缩
本讲主要内容
三维可视化基础知识 地形可视化
三维地形可视化应用
三维可视化基础3DFra bibliotek视化基本概念 三维可视化引擎 三维可视化渲染流程
坐标系
坐标系
•世界坐标系 •物体坐标系
坐标变换
把三维物体变为二维图形表示的过程称为投影变换。 投影变换的分类情况如下表所示：
坐标变换
正平行投影
坐标变换
坐标变换
第三步，选择相机 镜头并调焦，使三维物体 投影在二维胶片上（投影 变换，Projection Transformation）。
第四步，决定二维像 片的大小（视口变换，
Viewport Transformation）。
这样，一个三维空间 里的物体就可以用相应的 二维平面物体表示了，也 就能在二维的电脑屏幕上 正确显示了。
DIRECT与OPENGL
目前来看，OpenGL和D3D在应用领域上各有侧重。 OpenGL在工业领域应用较多，而D3D在游戏领域则 更多。
D3D学习掌握较困难，但完善的辅助库支持，使得搭 建三维应用更快捷。在Windows平台下优势明显。
OpenGL架构相对稳定，更规范严格，跨平台和独立 窗口意义重大，容易掌握；但复杂应用上工作量很大。
材质
材质表现了物体表面对灯光的反射属性。在D3D和OpenGL 中材质还有一个自发光属性－Emissive ，它用来描述物体自 身发出的光的颜色和透明度的。
颜色成员为R: 1.0, G: 1.0, B: 1.0, A: 1.0的材质会反射所有 的入射光。同样，成员为R: 0.0, G: 1.0, B: 0.0, A: 1.0的材 质会反射所有入射的绿光。具有多重反射系数值（Diffuse、 Specular、等等）的材质可以创建不同类型的效果 。
Z Buffer
OpenGL
OpenGL(Open Graphics Library)是以SGI公司的GL三维图形库为基础制定的
一个通用共享的开放式三维图形标准。从软件的角度讲，它就是一个开放的针 对于图形硬件的三维图形软件包。
OpenGL的优点：1) OpenGL可以大大降低了开发高质量图形软件对软、硬 件的依赖程度；2)跨平台，基本上的工业标准；3)学习容易，上手快；
HAL可以是显示驱动程序的一部分，也可以是一个动态连接库 (DLL)。HAL 由芯片制造商、板卡生产者或者原始设备制造商(OEM) 实现。HAL 实现了设备依赖的代码，但是并不做任何的模拟。也 就是说，如果硬件并不提供某一个功能，HAL 并不将其声明为硬 件的能力。另外，HAL 并不验证参数；Direct3D 在调用 HAL 以 前就已经完成了这项操作。
3D游戏效果图
3D操作系统
地形可视化
传统的地学分析图形中，三维地形立体图通常是用 一组经投影变换的剖面线或网线构造的，图形简单，内 容单一，缺乏实体感，实用价值受到限制。而三维地形 模型的动态显示是区域地形等多种要素三维景观的综合 体现，具有信息丰富、层次分明、真实感强的特点。
我们可通过获取地形等高线及地表属性多边形等信 息，采用适当的内插拟合方法，生成真实描述实际地表 特征的数字高程模型，并用栅格化技术建立相应的描述 区域地表类型的属性栅格，经透视投影变换和属性叠加 后，采用恰当的消隐处理和光照模型进行显示，再现区 域的三维地形形态，取得真实、鲜明、直观的图像效果。
Windows NT下OpenGL的结构
OpenGL程序运行方式
OpenGL硬件加速方式
一些显示芯片如3Dlabs公司的GliNT进行了优化，OpenGL的大 部分功能均可由硬件实现，仅有少量功能由操作系统来完成。
三维图形加速模式
一些中低档的图形芯片往往也具备一定的三维加速功能，由硬件 来完成一些较为复杂的图形操作。
使用DirectX的主要的两个好处：1)为软件开发者提供硬件无关性；2) 为硬件开发提供策略。
Direct3D
硬件抽象层
Direct3D通过硬件抽象层－HAL 提供了设备无关性。HAL 是一个 与设备相关的接口，它由设备制造商提供，Direct3D 通过它直接 控制显示设备。应用程序不会直接与 HAL 打交道。相反，通过 HAL 提供的特性，Direct3D 提供了一系列接口和方法用于应用程 序绘制图形。
透视投影
坐标变换
实际上，从三维空 间到二维平面，就如同 用相机拍照一样，通常 都要经历以下几个步骤 （括号内表示的是相应 的图形学概念）：
第一步，将相机置 于三角架上，让它对准 三维景物（视点变换， Viewing Transformation）。
第二步，将三维物 体放在适当的位置（模 型变换，Modeling Transformation）。
义相对不大的细节而造成的时间浪费，
同时有效地协调了画面连续性与模型
分辨率的关系。
LOD
静态 动态
静态层次细节模型
视点抬高时地形① 线框/实体绘制效果
常见层次细节模型——四叉树
四叉树：