真實(shí)感圖形應(yīng)用技術(shù)

摘 要：本文分析了生成計(jì)算機(jī)真實(shí)感圖形的主要技術(shù):濃淡模型，光線(xiàn)跟蹤，紋理生成和陰影處理。

關(guān)鍵詞：真實(shí)感圖形 濃淡模型 光線(xiàn)跟蹤 紋理生成和陰影處理

引言

使用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)，生成高度真實(shí)感圖形在當(dāng)前是計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)熱門(mén)領(lǐng)域。真實(shí)感顯示廣義指顯示或給出的圖形具有某種真實(shí)感。實(shí)行的方法有:對(duì)物體進(jìn)行軸測(cè)投影、透視投影，對(duì)物體消除隱藏線(xiàn)和隱藏面等。狹義指使計(jì)算機(jī)能產(chǎn)生像照片那樣的黑白圖像和彩色圖像，甚至產(chǎn)生真正三維的立體圖像。這種顯示又稱(chēng)高度真實(shí)感顯示，產(chǎn)生的是仿真效果。它的物質(zhì)基礎(chǔ)在于高度發(fā)展的光柵顯示技術(shù)。

實(shí)際的需要使得真實(shí)感圖形的顯示在應(yīng)用中具有重要的意義，仿真顯示在作戰(zhàn)模擬、仿真訓(xùn)練方面起到不容忽視的作用。真實(shí)感動(dòng)畫(huà)的制作可以生成靈活生動(dòng)的各種故事和場(chǎng)景;美觀的產(chǎn)品造型、包裝設(shè)計(jì)圖案、藝術(shù)廣告、裝飾畫(huà)等，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造中，對(duì)圖形的高度真實(shí)感的要求也越來(lái)越多，圖形顯示經(jīng)歷了從線(xiàn)架圖、消隱的線(xiàn)架圖、濃淡圖到帶陰影的濃淡圖及帶紋理結(jié)構(gòu)的更細(xì)致和更趨于真實(shí)圖形的發(fā)展過(guò)程。下面介紹幾種常見(jiàn)的技術(shù)。

一、濃淡模型

三維實(shí)體的透視圖經(jīng)過(guò)消除隱藏線(xiàn)面處理之后，就要用明暗度公式來(lái)計(jì)算和顯示該形體可見(jiàn)面的亮度和顏色。明暗度公式必須采用光學(xué)上的光線(xiàn)反射原理去模擬物體表面的光效應(yīng)，這樣才能使三維形體的表示達(dá)到較高的逼真性。因此，明暗度公式應(yīng)包含兩個(gè)基本要素:表面特性和光照在表面上的照明特性。表面特性主要是指表面的反射性和透明性，而照明特性則包括光穿過(guò)表面并被吸收，然后重新發(fā)射出來(lái)的漫反射光以及由物體的外表面反射所產(chǎn)生的鏡面反射光特性。三維景物圖形產(chǎn)生的通真性很大程度取決能否成功地模擬濃淡或明暗效應(yīng)。從理論上講，表面反射有兩種極端的情形:一種是鏡面反射體，另一種是粗糙表面的理想漫反射體。事實(shí)上，絕大多數(shù)表面既不是理想的鏡面反射體，也不是理想的漫反射體，而是兼而有之。因此，反射模型應(yīng)由三個(gè)部分組成:泛光照射，漫反射和鏡面反射。泛光照射是指光線(xiàn)是從周?chē)拔锷⑸涑鰜?lái)的，而且在表面上各方向的反射是相等的;漫反射是由從點(diǎn)光源發(fā)出來(lái)，但相等地散射到各方向的光組成;鏡面反射代表高光效應(yīng)，即光線(xiàn)集中在入射光線(xiàn)的入射點(diǎn)周?chē)吖庑?yīng)的顏色和光源的顏色相同。

濃淡處理有兩種經(jīng)典的算法：（1）Gouraud方法:H.Gouraud在1971年提出曲面的連續(xù)性生成濃淡的方法。將曲面用多個(gè)多邊形來(lái)通近，并保存多邊形的各頂點(diǎn)處的真正表面的法矢量。當(dāng)多邊形被漸次地轉(zhuǎn)換為像素時(shí)，在每個(gè)頂點(diǎn)處取的正確的顏色被計(jì)算，這些值沿多邊形進(jìn)行線(xiàn)性的插值。Gouraud法有較好的濃淡效果，但是對(duì)多邊形的通近情況會(huì)強(qiáng)烈地影響由鏡面反射而形成的高光反射形。（2）Phong方法：BuiT. Phong和F. C. Crow在 1975年提出了曲面多邊形的改進(jìn)繪制算法。將沿掃描線(xiàn)光強(qiáng)作線(xiàn)性插值的Gouraud方法改進(jìn)為:沿掃描線(xiàn)對(duì)法矢量作線(xiàn)性插值。然后按光照模型計(jì)算各點(diǎn)的光強(qiáng)。Phong的濃淡處理方法計(jì)算量大，但可解決Gouraud法所遇到的許多問(wèn)題。Gouraud法和Phong法都通過(guò)由多面體逼近曲面的思想求得了曲面的仿真顯示，對(duì)透明體的濃淡處理還需采用專(zhuān)門(mén)的方法，因?yàn)榻?jīng)典的光照模型和濃淡處理方法都假定到考慮的物體表面是不透明的，入射光線(xiàn)在透明體上發(fā)生反射和透射，透射也分為規(guī)則透射和漫透射。由Newell和San-cha提出的透明算法不考慮折射的影響，是一個(gè)最簡(jiǎn)單的透明算法:對(duì)透明的多邊形或表面注以標(biāo)記，若可見(jiàn)面是透明的，則取它與同它相距最近的另一表面光強(qiáng)的線(xiàn)性組合，并將所得光強(qiáng)值寫(xiě)入幀緩沖器，并遞歸地進(jìn)行此算法直至遇著一個(gè)不透明的面或背景。

二、光線(xiàn)跟蹤

許多研究集中于光學(xué)效應(yīng)和光線(xiàn)跟蹤上，研究方向主要包括透明性造型、折射造型、反射造型及使用透鏡的照像機(jī)模型。光線(xiàn)跟蹤是由Whitted在1980年為濃淡顯示提出的改進(jìn)照明模型中引進(jìn)的，是對(duì)Appel和Goldstein、Nagel在三維可視仿真問(wèn)題中使用的光線(xiàn)投射的改進(jìn)。在光線(xiàn)投射中，光線(xiàn)從眼中出發(fā)，經(jīng)過(guò)像素進(jìn)入世界，光線(xiàn)和世界中的物體最近的交點(diǎn)決定了可見(jiàn)的面，而Whiffed在交點(diǎn)處又加了兩條光線(xiàn)路徑，分別沿反射方向和折射方向，這樣可以精確地為反射和折射面的變形進(jìn)行造型。

光線(xiàn)跟蹤的算法基本思想是:觀察者能夠看見(jiàn)景物是由于光源發(fā)出的光照射到物體上的結(jié)果，其中一部分光到達(dá)人的眼睛引起視覺(jué)。到達(dá)觀察者眼中的光可由物體表面反射而來(lái)，也可通過(guò)表面折射或透射而來(lái)，若從光源出發(fā)跟蹤光線(xiàn)，因只有少量的光能到達(dá)觀察者的眼睛，處理的效率太低，所以按反途徑進(jìn)行光線(xiàn)跟蹤，即按從觀察者到景物的方向。在簡(jiǎn)單的光線(xiàn)情形下，假定畫(huà)面中的景物均已變換到圖像空間，光線(xiàn)從觀察者出發(fā)，通過(guò)光柵中像素的中心進(jìn)入畫(huà)面，然后沿光線(xiàn)路徑進(jìn)行跟蹤以決定它與畫(huà)面中的哪一物體相交。每一光線(xiàn)均需與畫(huà)面中的每一物體進(jìn)行比較，如果相交，則需求出該光線(xiàn)與物體的所有可能的交點(diǎn)，具有離觀察點(diǎn)最近的交叉對(duì)應(yīng)的面為此像素的可見(jiàn)面，再由光照模型可確定該像素處的顯示值。完整的光線(xiàn)跟蹤算法中用到的光照模型，除了要考慮直接來(lái)自光源的光線(xiàn)外，還要考慮由于其它物體的反射或折射傳來(lái)的光線(xiàn)。

光線(xiàn)跟蹤法生成圖像的逼真度高，能反映出物體表面的光滑程度、透明性等，成為生成真實(shí)感圖形最有效的方法之一。但光線(xiàn)跟蹤法運(yùn)算量和存儲(chǔ)量巨大，算法十分費(fèi)時(shí)，近年來(lái)許多工作都是圍繞提高光線(xiàn)跟蹤速度展開(kāi)的，以期能調(diào)和圖形的實(shí)時(shí)性與真實(shí)感之間的矛盾，解決光線(xiàn)跟蹤的關(guān)鍵在于提高射線(xiàn)(光線(xiàn))與物體求交的效率。提高求交效率的途徑不外乎下面兩種:一是盡量簡(jiǎn)化求交運(yùn)算本身。即對(duì)一個(gè)給定的物體和射線(xiàn)，能夠快速判斷兩者是否相交，如果相交，應(yīng)能快速地求出交點(diǎn)。二是盡可能減少參與求交的物體數(shù)。場(chǎng)景的物體數(shù)目是一定的，但對(duì)于給定的射線(xiàn)，如果能迅速給出可能與它相交的物體或排除不與它相交的物體而不是逐個(gè)地進(jìn)行求交運(yùn)算，則求交效率自然大大提高了。

光線(xiàn)跟蹤的兩大缺點(diǎn)在于費(fèi)用昂貴和有走樣現(xiàn)象，對(duì)光線(xiàn)跟蹤的研究主要有四個(gè)方向：(1)對(duì)不同的物體求取交點(diǎn)的算法；(2)擴(kuò)展光學(xué)效應(yīng)的范圍，用光線(xiàn)跟蹤捕獲更多的光學(xué)效果；(3)反走樣技術(shù)；(4)降低測(cè)試交點(diǎn)的次數(shù)。早期研究都集中于迅速在光線(xiàn)和復(fù)雜物體之間求取交點(diǎn)。

三、紋理生成

紋理生成是計(jì)算機(jī)圖形真實(shí)顯示技術(shù)中的一個(gè)重要內(nèi)容，三維實(shí)體的真實(shí)性顯示在很大程度上取決于對(duì)紋理的模擬。傳統(tǒng)上，紋理處理技術(shù)是采用二維紋理映射的方法，假定紋理定義在紋理空間上，而曲面定義在另一個(gè)參數(shù)空間上，則通過(guò)一一映射將二者聯(lián)系在一起，利用此方法可以將某些紋理圖形映射到曲面上。在產(chǎn)生紋理映射過(guò)程中利用繪制點(diǎn)與紋理表的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到相應(yīng)的紋理值，在對(duì)應(yīng)以外的點(diǎn)處的紋理值則通過(guò)對(duì)紋理表進(jìn)行相應(yīng)的插值得到相應(yīng)的紋理值。這種方法簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，查找方便，但在一些情況下將會(huì)產(chǎn)生失真：紋理效果多邊形可能只占屏幕的很小一部分，使得同一個(gè)像素上有許多紋理點(diǎn)。

Blinn和Newell通過(guò)使用一個(gè)標(biāo)志濾波器改進(jìn)了上述技術(shù)。Feibush，Levoy和Cook則推出了Gaussian濾波器，但是計(jì)算很昂貴。Wiuiams提出的濾波機(jī)制雖然并不如其他方法精確，但計(jì)算紋理是最快的了。他在不同的分辨率下保存紋理的備份并采用最合適的一個(gè)。Crow使用一張預(yù)計(jì)算表來(lái)存儲(chǔ)整個(gè)紋理映射，使得濾波能在常效時(shí)間內(nèi)完成，Norton，Rockwood和Skol-moski提出把紋理映射作為一個(gè)解析函數(shù)，預(yù)先計(jì)算光譜頻率并無(wú)需改變?nèi)魏胃哳l地去重構(gòu)此解析函數(shù)，從而快速計(jì)算紋理，這很適于模糊物體如云、波浪、原野等。紋理在這些物體上并不需要包括許多頻率因素。

沿著一個(gè)復(fù)雜的三維物體，很難在其上包裹一個(gè)二維的紋理，這需要定義一個(gè)函數(shù)，把這個(gè)物體的空間坐標(biāo)映射到三維紋理空間并使用三維空間，不管物體的形狀如何，在它表面上的紋理是一致的，當(dāng)紋理模型與制作物體的材料是一致時(shí)，特別有用，因?yàn)樾枰~外的大量的空間來(lái)存一個(gè)像素的三維數(shù)組。Peachey和Perlin提出使用“過(guò)程紋理”，但是過(guò)程紋理很難進(jìn)行反走樣。

紋理無(wú)需包括一個(gè)表面上的顏色。存儲(chǔ)其他表面特性也可幫助紋理映射增強(qiáng)性能，Blinn提出應(yīng)把表面法矢擾動(dòng)存儲(chǔ)于紋理映射中，又稱(chēng)顛簸映射。這可以為有折皺的表面產(chǎn)生逼真的模擬(通過(guò)高光正確地與表面的顫動(dòng)匹配的方法)。Gardner使用解析紋理來(lái)修整橢球體的表面邊界，以模擬樹(shù)和云的形狀。紋理技術(shù)在環(huán)境映射中使用也較多，如果物體是閃閃發(fā)亮的，那它的表面可以反射其它同在環(huán)境中的物體。計(jì)算這些反射是昂貴的，但紋理技術(shù)就可以把從一個(gè)視點(diǎn)看去的環(huán)境的近似圖景投射到球體、圓柱體或長(zhǎng)方體上，并把這投影存在一個(gè)紋理映射中。然后，當(dāng)我們?yōu)橐粋€(gè)點(diǎn)造濃淡時(shí)，在反射的方向進(jìn)行紋理采樣即可。

四、陰影處理

陰影顯示在計(jì)算機(jī)合成圖像上表示真實(shí)性的過(guò)程中起到了重要的作用。當(dāng)觀察方向與光源方向不重合時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)陰影，它使人感到畫(huà)面上景物的遠(yuǎn)近深淺，從而極大地增強(qiáng)了畫(huà)面的真實(shí)性。

陰影算法的復(fù)雜程度與光源的模型有關(guān)。這包括光源的類(lèi)型和位置的情況。陰影處理的算法很容易和光線(xiàn)跟蹤模型結(jié)合為一體，假定光源(或多個(gè)光源)向量L在其路徑上不被任何物體阻擋，如果L被阻擋，則當(dāng)前表面點(diǎn)處于陰影中要確定其他物體是否處于L的路徑上，方法是建立一條從當(dāng)前點(diǎn)到光源的附加光線(xiàn)，這條光線(xiàn)稱(chēng)為陰影測(cè)試線(xiàn)。如果一個(gè)完全不透明的物體是處在陰影路徑上，則把光線(xiàn)交點(diǎn)的亮度值減少至環(huán)境光照值；如果相交物體是半透明的，則計(jì)算出光線(xiàn)交點(diǎn)的亮度值，這時(shí)仍把L當(dāng)作一個(gè)常向量(光源在無(wú)限遠(yuǎn)處)已不合適。所謂陰影測(cè)試線(xiàn)只是其方向就是L方向的那些光線(xiàn)，如果陰影測(cè)試線(xiàn)與半透明物體相交，則它應(yīng)被折射。但是，計(jì)算方法比較復(fù)雜，陰影測(cè)試線(xiàn)在初始階段是作為表面交點(diǎn)與光源之間的直線(xiàn)計(jì)算的，這項(xiàng)計(jì)算較簡(jiǎn)單，但要從這一點(diǎn)到光源的光線(xiàn)進(jìn)行跟蹤并考慮折射效果，就相當(dāng)困難了。

隨著光源數(shù)量的增加，用于陰影測(cè)試計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)會(huì)很快占主要地位，因?yàn)槿绻袔讉€(gè)光源，則每個(gè)光線(xiàn)與表面的交點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生幾條陰影測(cè)試線(xiàn)，對(duì)一條陰影測(cè)試線(xiàn)的物體交點(diǎn)的開(kāi)銷(xiāo)點(diǎn)對(duì)一條主光線(xiàn)的開(kāi)銷(xiāo)是完全相同的。為了減少陰影測(cè)試的計(jì)算量，Haines和Gree-burg在1986年提出一種使用光線(xiàn)緩存區(qū)作為陰影測(cè)試加速器的新方法，用這個(gè)方法，可使用陰影測(cè)試次數(shù)減少至1/4至1/30，但它只能處理點(diǎn)光源，且需要很大存儲(chǔ)量。

參考文獻(xiàn)：

［１］蔡士杰等譯.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版）.北京:電子工業(yè)出版社，2005.6.

［２］劉振安等.Windows圖形設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京:人民郵電出版社，1996.4.

［３］彭群生，梁友棟.真實(shí)感圖形的計(jì)算機(jī)生成.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，1989.12(3):226-237.

［４］陳振初、蔡宣平.計(jì)算機(jī)圖形顯示原理(軟件).國(guó)防科技大學(xué)出版社，1991. 6月版.