CG-光栅图形学消隐算法-学习笔记

内容导读

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内容图文

【引入】

 1. 目的：当我们观察空间任何一个不透明的物体时，只能看到该物体朝向我们的那些表面，其余的表面由于物体所遮挡我们看不到。所以需要消隐，来消除被遮挡的不可见的线或面，消除二义性，绘制出意义明确、富有真实感的立体图形。

2. 分类：

1）物体空间消隐算法：Roberts算法、光线透射法

2）图像空间消隐算法：Z缓冲区（Z-Buffer）算法、扫描线Z-buffer算法、区域子分割算法。

一、Z-Buffer消隐算法（深度缓冲器算法）

1. 原理：
1）该算法有帧缓冲器和深度缓冲器，对应两个数组：intensity(x, y)——属性数组（帧缓存器）存储图像空间每个可见像素的光强或颜色、depth(x, y)——深度数组（z-buffer）存放图像空间每个可见像素的z坐标。

2）先将Z缓冲器中各单元的初始值置为最小值。当要改变某个像素的颜色值时，首先检查当前多边形的深度值是否大于该像素原来的深度值（保存在该像素所对应的Z缓冲器的单元中），如果大于原来的Z值，说明当前多边形更靠近观察点，用它的颜色替代像素原来的颜色。

2. 算法优缺点

1）算法简单直观，像素级上以近物替代远物，有利于硬件实现；

2）占用空间大，没有利用图形的相关性与连续性，像素级上的消隐算法；

3. 改进：只用一个深度缓存变量zb的改进算法；

3. 关键问题：点与多边形的包含性检测

1）射线法：由被测点P处向y = -∞方向作射线，交点个数是奇数，则被测点在多边形内部，否则在外部。

若射线正好经过多边形的顶点，则采用“左开右闭”的原则来实现，即：当射线与某条边的顶点相交时，若边在射线的左侧，交点有效，计数；若在射线的右侧，交点无效，不计数。

2）弧长法：以p点为圆心，作单位圆，把边投射到单位圆上，对应一段段弧长，规定逆时针为正，顺时针为负，计算弧长代数和。

代数和为0，点在多边形外部；代数和为2π，点在多边形内部；代数和为π，点在多边形边上。

3）以顶点符号为基础的弧长累加法：

p是被测点，按照弧长法，p点的代数和为2π。做一个规定来取代原来的弧长计算：

同一个象限认为是0，跨过一个象限是π/2，跨过两个象限是π。这样当腰计算代数和的时候，就不要去投影了，只要根据点所在的象限一下子就能判断出多少度。

二、区间扫描线消隐算法

1. 思想：扫描线的交点把这条扫描线分成了若干个区间，每个区间上必然是同样一种颜色。

对于有重合的区间，如a6a7这个区间，要么显示F2的颜色，要么显示F3的颜色，不会出现颜色的跳跃。那么如果把扫描线和多边形的这些交点求出来，对每个区间，只要判断一个像素的颜色，那么真个区间的颜色就都解决了。

2. 实现

投影多边形->求交点->交点排序

排序的结果就分成了一个个区间，然后在每个区间找当中一个像素(i, j)，在(i, j)处计算每个相关面的z值，对相关深度值z进行比较，最大的那个表示可见。整个这段区间就画这个z值最大面的颜色。

其中小区间，要么取背景颜色，如a2a3、a4a5；要么在只有一个多边形情况下，取该多边形颜色，如a1a2。

三、区间子分割消隐算法（Warnock算法）

1. 思想：分而治之，利用了堆栈的数据结构。把物体投影到全屏幕窗口上，然后递归分割窗口，直到窗口内目标足够简单，可以显示为止。

 2. 原理：
1）如果窗口内没有物体则按背景色显示；

2）若窗口内只有一个面，则把该面显示出来；

3）否则，窗口内含有两个以上的面，则把窗口等分成四个子窗口。对于每个小窗口再做上述同样的处理。这样反复地进行下去。把四个窗口压在一个堆栈里（后进先出）。

 

内容总结

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内容备注

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