計算機(jī)真實感圖形的算法基礎(chǔ)

前言

看過驚險科幻片《侏羅紀(jì)公園》的人無不為現(xiàn)代游客從古代恐龍的瘋狂追逐下死里逃生的場面所震撼；同樣，人們也一定會對電影《終結(jié)者》中終結(jié)者由人化為一攤金屬液體，又從金屬液體漸變恢復(fù)人形的過程疑惑不解。早已滅絕的古代恐龍如何能與現(xiàn)代演員共同出現(xiàn)在屏幕上？終結(jié)者的軀體又如何能從人形化為液體呢？解決這一問題的答案可從計算機(jī)真實感圖形學(xué)領(lǐng)域中去尋找。真實感圖形是一種計算機(jī)圖形生成技術(shù)，它首先在計算機(jī)中構(gòu)造出所需場景的幾何模型，然后根據(jù)假定的光照條件，計算畫面上可見的各景物表面的光亮度，使觀者產(chǎn)生如臨其境，如見其物的視覺效果?；谠擁椉夹g(shù)，設(shè)計人員在設(shè)計圖紙時就可以瀏覽產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)；考古工作者可以跨越時間隧道，在古代的宮殿中漫游；探險家不必乘坐宇宙飛船即可領(lǐng)略太空的瑰麗景色。如果說在20世紀(jì)80年代，計算機(jī)真實感圖形還主要局限在高等學(xué)校、科研院所的實驗室里，那么，進(jìn)入90年代以來，通過高科技電影、電視廣告、電子游戲等媒體，真實感圖形已越來越深入到人們的日常生活中。如今普通微機(jī)上均可配置真實感圖形生成平臺，人們完全可以在辦公室或家庭電腦上生成自己喜愛的真實感圖形。計算機(jī)真實感圖形是一種光柵圖形。光柵圖形顯示器的屏幕由一系列顯示單元組成，每一個顯示單元稱為一個象素。生成一幅真實感圖形時，我們必須逐個象素地計算畫面上相應(yīng)景物表面區(qū)域的顏色。顯然，在計算可見景物表面區(qū)域的顏色時，不但要考慮光源對該區(qū)域人射光及光亮度和光譜組成，而且還要考慮該表面區(qū)域?qū)庠吹某?，表面的材料和反射性質(zhì)等。簡言之，這種計算必須基于一定的光學(xué)物理模型，我們將其稱之為光照明模型?；趫鼍皫缀魏凸庹彰髂Ｐ蜕梢环鎸嵏袌D形的過程稱之為繪制。常用的真實感圖形繪制算法包括掃描線算法、光線跟蹤算法、光能輻射度方法等。由于光柵圖形屏幕通常包含數(shù)十萬甚至上百萬個象素，因此，如何開發(fā)利用景物的空間連貫性和圖像連貫性，提高繪制算法的效率是真實感圖形技術(shù)研究的重點。

內(nèi)容概要

　　《計算機(jī)真實感圖形的算法基礎(chǔ)》是系統(tǒng)介紹計算機(jī)真實感圖形基礎(chǔ)理論與算法的一本專著。全書共分九章，包括圖形學(xué)基礎(chǔ)、光照模型原理、簡單畫面繪制算法、光線跟蹤、紋理映射、陰影生成、光能輻射度方法、實時圖形繪制技術(shù)、自然景物仿真、顏色等?！队嬎銠C(jī)真實感圖形的算法基礎(chǔ)》的特點是內(nèi)容全面，取材新穎，注重算法，力求實用。除系統(tǒng)敘述計算機(jī)真實感圖形生成的基本概念、基本算法外，作者還注意結(jié)合親身實踐體會介紹國內(nèi)外的有關(guān)最新研究成果。
　　《計算機(jī)真實感圖形的算法基礎(chǔ)》可作為高等學(xué)校計算機(jī)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、電子工程、機(jī)械工程、航空、造船、輕工等專業(yè)高年級學(xué)生或研究生的教學(xué)用書，對廣大從事CAD&CG研究、應(yīng)用、開發(fā)的科技人員也有較大參考價值。

書籍目錄

第一章 圖形學(xué)基礎(chǔ)
1.1 場景造型
1.1.1 多面體模型
1.1.2 曲面模型
1.1.3 場景坐標(biāo)系
1.2 取景變換
1.2.1 視點坐標(biāo)系
1.2.2 背面剔除
1.2.3 屏幕坐標(biāo)系
1.2.4 視域四棱錐裁剪
1.3 裁剪
1.3.1 sutherland-hodgman多邊形裁剪
1.3.2 weiler-atherton裁剪
1.4 光柵化
1.5 消隱
1.6 小結(jié)
第二章 光照明模型原理
2.1 引言
2.2 簡單的局部光照明模型
2.2.1 lambert漫反射模型
2.2.2 phong模型
2.2.3 簡單透明模型
2.3 較為完善的局部光照明模型
2.3.1 blinn模型和cook-torrance模型
2.3.2 光譜采樣技術(shù)
2.4 一個統(tǒng)一的光照明模型
2.5 整體光照明模型
2.5.1 whitted模型
2.5.2 hall光照明模型
2.6 擴(kuò)展的光照明模型
2.6.1 光源的基本屬性
2.6.2 具非均勻光強(qiáng)分布的點光源照明模型
2.7 線、面光照明模型
2.7.1 線光源照明模型中fid和fis的計算
2.7.2 面光源照明模型
2.8 小結(jié)
第三章 簡單畫面繪制
3.1 掃描線算法
3.1.1 z緩存器算法
3.1.2 掃描線z緩存器算法
3.1.3 區(qū)間掃描線算法
3.2 曲面的掃描轉(zhuǎn)換
3.3 光亮度插值
3.3.1 gouraud明暗處理
3.3.2 phong明暗處理
3.3.3 phong明暗處理的加速方法
3.4 曲面剖分算法
3.4.1 bézier曲線的遞歸細(xì)分
3.4.2 bézier曲面的遞歸細(xì)分
3.4.3 bézier曲面片的法向量
3.4.4 裂縫問題的處理
3.5 a緩沖器算法
3.6 陰影
3.6.1 陰影細(xì)節(jié)多邊形算法
3.6.2 影域多面體算法
3.7 圖像合成
3.7.1 rgbα方法
3.7.2 rgbαz方法
3.7.3 基于多重掃描線的圖像合成方法
3.8 小結(jié)
第四章 光線跟蹤算法
4.1 引言
4.2 光線跟蹤的基本原理
4.3 光線跟蹤幾何
4.3.1 反射光線與折射光線的確定
4.3.2 光線與景物的求交幾何
4.4 光線跟蹤中的陰影生成算法
4.5 層次包圍盒技術(shù)
4.5.1 包圍盒技術(shù)
4.5.2 層次包圍盒技術(shù)
4.5.3 改進(jìn)的層次包圍盒算法
4.5.4 平行2n面體層次包圍盒技術(shù)
4.5.5 初始光線上可見點的加速計算
4.6 基于空間連貫性的快速光線跟蹤算法
4.7.3 ddda算法
4.8 空間八叉樹剖分技術(shù)
4.8.1 glassner算法
4.8.2 混合式八叉樹算法
4.9 二叉空間剖分加速技術(shù)
4.10 光束跟蹤算法
4.11 圓錐跟蹤算法
4.12 分布式光線跟蹤算法
4.13 雙向光線跟蹤算法
4.14 光線跟蹤算法中的反走樣技術(shù)
4.14.1 象素細(xì)分技術(shù)
4.14.2 非均勻超級采樣技術(shù)
4.15 小結(jié)
第五章 紋理映射技術(shù)
5.1 引言
5.2 二維紋理映射的基本原理
5.3 紋理映射的建立
5.3.1 catmull算法
5.3.2 blinn方法
5.3.3 兩步法紋理映射技術(shù)
5.3.4 環(huán)境映射技術(shù)
5.4 紋理映射中的快速反走樣技術(shù)
5.4.1 近似空間變化濾波技術(shù)
5.4.2 mip-map技術(shù)
5.4.3 區(qū)域求和表技術(shù)
5.4.4 逐步舍棄法
5.5 幾何紋理映射技術(shù)
5.6 三維紋理映射技術(shù)
5.7 過程紋理函數(shù)
5.7.1 木紋函數(shù)
5.7.2 三維噪聲函數(shù)
5.7.3 湍流(turbulence)函數(shù)及其應(yīng)用
5.7.4 fourier合成技術(shù)
5.8 shade樹
5.9 小結(jié)
第六章 輻射度方法
6.1 引言
6.2 理想漫射環(huán)境的一般輻射度方程
6.3 漫射環(huán)境的簡化輻射度方程
6.4 形狀因子計算
6.4.1 線積分技術(shù)
6.4.2 nusselt方法
6.4.3 半立方體算法
6.4.4 半球面分割技術(shù)
6.4.5 單平面投影法
6.4.6 頂點(微面元)對單個面片的形狀因子
6.4.7 monte carlo積分方法
6.4.8 形狀因子的加速計算技術(shù)
6.5 輻射度方程的求解技術(shù)
6.5.1 線性方程組迭代算法的一般描述
6.5.2 gauss-siedel迭代方法
6.5.3 southwell迭代法
6.5.4 逐步求精算法
6.6 輻射度方法的前后置處理
6.6.1 表面預(yù)剖分處理
6.6.2 輻射度函數(shù)的重建
6.7 層次結(jié)構(gòu)輻射度算法
6.7.1 子結(jié)構(gòu)技術(shù)
6.7.2 層次結(jié)構(gòu)輻射度算法
6.8 非漫射環(huán)境的輻射度方法
6.8.1 全局立方體算法
6.8.2 wallace的兩步法
6.8.3 邵敏之方法
6.8.4 繪制方程
6.8.5 擴(kuò)展的兩步算法
6.9 紋理表面輻射度算法
6.9.1 顏色紋理映射技術(shù)
6.9.2 凹凸紋理映射技術(shù)
6.10 動態(tài)場景的輻射度算法
6.10.1 表面屬性的改變
6.10.2 場景幾何的改變
6.11 一般曲面環(huán)境的輻射度算法
6.11.1 一般漫射曲面環(huán)境的輻射度方程
6.11.2 非漫射曲面環(huán)境的輻射度算法
6.12 有限元輻射度方法
6.13 小結(jié)
第七章 真實感圖形的實時繪制技術(shù)
7.1 引言
7.2 實時消隱技術(shù)
7.2.1 層次z緩存器算法
7.2.2 可見性預(yù)計算技術(shù)
7.3 層次細(xì)節(jié)簡化技術(shù)
7.3.1 基于長方體濾波方法的多面體簡化技術(shù)
7.3.2 頂點刪除技術(shù)
7.3.3 漸進(jìn)網(wǎng)格的簡化算法
7.3.4 基于二次誤差度量的幾何簡化算法
7.3.5 基于局部參數(shù)化的多分辨率模型技術(shù)
7.3.6 視點依賴的場景簡化技術(shù)
7.4 基于圖像的圖形繪制技術(shù)
7.4.1 視圖插值算法
7.4.2 層次圖像存貯技術(shù)
7.4.3 全景函數(shù)造型技術(shù)
7.4.4 光場函數(shù)采樣技術(shù)
7.5 小結(jié)
第八章 自然景物模擬
8.1 引言
8.2 fbm方法及其應(yīng)用
8.3 l-系統(tǒng)
8.3.1 d0l-系統(tǒng)
8.3.2 植物結(jié)構(gòu)的模擬
8.4 粒子系統(tǒng)
8.5 小結(jié)
第九章 顏色
9.1 引言
9.2 顏色的視覺特性及顏色的基本定義
9.3 顏色空間及其相互轉(zhuǎn)換
9.3.1 rgb模型和cmy模型
9.3.2 yiq顏色模型
9.3.3 hsv和hls顏色模型
9.3.4 cie-xyz顏色空間
9.3.5 cie xyy系統(tǒng)
9.3.6 cie-luv顏色空間
9.4 顏色裁剪和gamma修正
9.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：光照明模型是生成真實感圖形的基礎(chǔ)。簡言之，光照明模型即根據(jù)光學(xué)物理的有關(guān)定律，計算景物表面上任一點投向觀察者眼中的光亮度的大小和色彩組成的公式。對于在光柵圖形設(shè)備上顯示的真實感圖形，我們需依據(jù)光照明模型計算每一象素上可見的景物表面投向觀察者的光亮度。光照明模型分為局部光照明模型和整體光照明模型。局部光照明模型僅考慮光源直接照射在景物表面所產(chǎn)生的光照效果，景物表面通常被假定為不透明，且具有均勻的反射率。局部光照明模型能表現(xiàn)由光源直接照射在漫射表面上形成的連續(xù)明暗色調(diào)、鏡面上的高光以及由于景物相互遮擋而形成的陰影等，具有一定的真實感效果。而整體光照明模型除了考慮上述因素外，還要考慮周圍環(huán)境對景物表面的影響。例如，出現(xiàn)在鏡面上的其它景物的映像，通過透明面可觀察到后面的景物等。整體光照明模型能模擬出鏡面映像、光的折射以及相鄰景物表面之間的色彩輝映等較精致的光照明效果。來自光源和周圍環(huán)境的入射光照射在景物表面上時，可能被吸收、反射或透射，其中被吸收的入射光能轉(zhuǎn)化為熱，其余部分則向四周反射或透射。正是朝視線方向反射或透射的光使景物可見。若朝視線方向輻射的反射或透射光中所有波長的光含量相等，則物體表面將呈現(xiàn)白色或不同層次的灰色。若輻射光中各種波長光具有不同的能量分布，則景物呈現(xiàn)出彩色，其顏色決定于輻射光的主波長。由于顏色僅是可見光的一種視覺特性，因此，在光學(xué)中用光譜分布來描述光的組成。光譜分布表示了一束光中不同波長光所占的比例，它是波長的函數(shù)。顯然，光譜分布唯一地決定了相應(yīng)可見光的色彩。景物表面的反射或透射光不僅決定于景物表面的材料、景物表面的朝向以及它與光源之間的相對位置，而且還決定于向表面入射光能的光源的性質(zhì)。光源的屬性包括它向四周所輻射光的光譜分布、空間光亮度分布以及光源的幾何形狀。顯然，日光燈與白熾燈所發(fā)出的光具有不同的光譜分布，前者偏青色，后者偏黃色。不同結(jié)構(gòu)和形狀的光源向外輻射的光能具有不同的空間分布，探照燈發(fā)出定向的平行光，而磨砂燈泡則向四周均勻地發(fā)射出柔和的光。從幾何形狀來看，光源可歸結(jié)為四類：點光源、線光源、面光源和體光源，其中以點光源最為簡單。

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