计算机图形学论文真实感制图技术在图形学中的应用

研究生课程考试试卷

考试科目计算机制图学

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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 in

Computer Graphics

Abstract: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. This 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; blanking technology; realistic graphics; 3D map;

1.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，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+D>0，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+D<0，则观察点（x，y，z）在凸型多面体外表面（称该表面是可见的），应被画出。

通过对物体进行适当旋转和平移后，可将物体变换到以观察点为原点的观察坐标系中，如果在观察坐标系中求得了平面的方程Ax+By+Cz+D=0，将观察点坐标代入上面的判断准则，则可得出如下的简单判据：

D>0，则平面不可见，应被隐藏；

D<0，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。