计算机视景的生成.ppt

第五讲、计算机视景的生成——江萍计算机生成视景的工作,主要包括以下几个步骤: 计算生成具有真实感的物体。它包括颜色、光照、立体感和运动感; 计算生成或直接从图象库中获取具有真实感的背景图象; 经过扫描变换将物体和背景统一在同一坐标系中。为了计算生成在颜色、光照、立体感和运动感等方面都比较有真实感的物体,必须讨论如何由给定顶点生成物体的表面,如何在表面上着色和加上高光与阴影,以及物体发生形变时表面的变化。背景图象可以分为自然景物和人工景物两类。一部分自然景物可以使用分形算法等生成,大多数需要使用提前录好的录象资料,简单的人工景物(例如建筑物内)可以用图形生成的方法生成,复杂的人工景物也需要使用录象资料。利用计算机图形学生成逼真景物的关键在于好的动画生成技术。生成规则形状的刚体运动并不困难,难的是生成可变形物体和人体的连续运动。利用运动图象生成视景面临的主要困难是图象的数据量太大,如果不进行压缩,任何系统都承受不了。因此, 生成真实感图形的基本理论和算法, 可变形对象的动画生成,数据压缩技术就成为视景生成的关键问题。?生成真实感图形的基本理论与算法使用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感对象图形必须完成四个基本任务: 使用数学方法建立所需三维场景的几何描述,并将它们输入至计算机这部分工作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了图象的复杂性和绘制的计算耗费,因此选择合理有效的数据表示和输入手段是极其重要的。将三维几何描述转换为二维视图这可通过对场景的***变换来完成。确定场景中的所有可见面这需要使用隐藏面消除算法将视域之外或被其他物遮挡的不可见面消去。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色彩,并将它转换成合适图形设备的颜色值,从而决定投影画面上每一象素的颜色,最终生成图象。复杂(真实感)图象是通过景物表面的颜色和明暗色调来表现景物的几何形状、空间位置及表面材料的。为了计算屏幕象素上相应景物可见点的颜色,需要建立一个能计算物体表面在空间给定方向上光亮度的光照模型。因此,体绘制、曲面、光照、光线跟踪和辐射度是本讲讨论的重点。?真实感三维表面的构造生成方法利用给定对象的三维数据,构造物体三维表面形状的算法称为三维空间图形显示算法。构造生成的过程称为体绘制。体绘制是用来将物体的几何或物理特性在二维平面表示出来的方法。在体上每一个点上的代表该点性质的数被称为该点的值。所有这些值的集合被称为体的标量域。体上每一点都给定了具体标量值的集合,称为级表面。很显然,如果我们用 X—Y坐标表示平面,则一个三维物体表面坐标的 Z轴方向上取值的集合就是该物体的级表面,也是一个真正的表面,体绘制实际上是显示标量域的处理。体绘制算法可分为两大类:第一类算法首先由三维空间数据计算构造出级表面,然后再由传统的计算机图形学计算实现画面绘制。这类算法可以利用现有的软件和硬件实现绘制功能、图形生成。此类算法的处理直观,容易理解,且可以产生比较连续的等值面。第二类方法并不构造级表面,而直接由光线路踪将标量域密度的集成显示在屏幕上,这是近年来迅速发展的一种真实图形生成方法,能较快速产生三维数据的整体图象,并且便于并行处理。?代数曲面方法设给定空间结点和拓扑结构,过结点构造分片代数曲面,使曲面有二阶连续的正切圆盘。由结点和给定的拓扑结构生成一个三角网格, 在此基础上生成一个三维多剖形 T,使T具有给定的拓扑结构。由结点和给定的拓扑结构生成一个三角网格, 在每个空间三角形的每边上生成一个代数曲线,过每个三角形的三条代数曲面生成一个分片代数曲面。?基于光线跟踪体绘制以图象空间为序的体绘制方法以图象空间为序的体绘制技术是从屏幕上的每一个象素点出发,根据设定的方向发出一条射线,沿着这条射线选择 K个等距采样点,然后由距离采样点最近的八个结点的颜色值和不透明值进行三次线性插值计算采样点的颜色值和不透明值,最后将每个采样点的颜色值和不透明值由前往后合成,就得到屏幕上的该象素点的颜色值。以物体空间为序的体绘制方法以物体空间为序的体绘制方法是从结点出发逐点计算的。首先根据结点的位置给定不透明值、颜色值及观察方向,将结点坐标变换到图象空间,根据光照模型计算每个结点的光照强度。此后,根据选定的重构核函数计算出由三维数据光照强度到二维图象的映射关系,得出每个数据点所影响的二维象素的范围和对每个象素点光照强度的贡献。将不同的数据点对同一个象素点的贡献加以合成,得出最后二维图象。?曲面表示曲面表示在实际应用方面一般可以采用以下方法: ?一般曲面表示双五次 Hermite 插值型参数样条曲面,双三次 Coons 曲面和双三次加权 Bezier 曲面, 双三次 B样条插值曲面,双三次有理 B样条曲面。?复杂曲面表示由一条脊