浅谈真实感图形生成技术及真实感绘制

摘要：真实感图形是计算机图形学中一个重要的组成部分，它的基本要求是在计算机中生成三维场景的真实感图形或图象。多媒体教育、虚拟现实系统、科学计算可视化、动画制作、电影特技模拟、计算机游戏等许多方面，真实感图形学都发挥了重要的作用。其中的核心内容就是真实感绘制，它有多种方法，其中植物场景的真实感绘制是比较常用的。例如对于场景中的物体、要得到它的真实感图形，就要对它进行透视投影，并消除隐藏面，然后计算可见面的光照明暗效果等。

关键词：真实感绘制技术；自然场景；体纹理；光线跟踪

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）24-5541-02

真实感图形的发展是比较早的，在1967年，Wylie等人第一次在显示物体时加进光照效果，认为光强与距离成反比；1970年，Bouknight提出第一个光反射模型：Lambert漫反射+环境光；1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的思想；1975年，Phong提出图形学中第一个有影响的光照明模型。真实感图形绘制技术是图形学绘制技术发展的结果，它的目标是根据几何场景的造型、材质和光源分布，将其转变成跟真实场景在视觉效果上非常相似的图象，使观察者有身临其境的感觉。计算机自然景物模拟，因其所具有的广泛应用领域，而成为计算机图形的一个重要分支。在商店的室内外装饰中，为增强商店对顾客的吸引力，刺激起顾客的购买欲，商店装饰设计者常常会使用一些自然景物等非规则构件来美化商店的室内外环境，如假山，花草，树木，云彩等。

1 真实感绘制算法

1.1 光照模型

既是模拟物体表面的光照明物理现象的数学模型。可以划分为简单的光照模型和整体的光照模型两类。

简单的光照明模型，假设物体是不透明的，只考虑光源的直接照射，而将光在物体之间的传播效果笼统地模拟为环境光。可以处理物体之间光照的相互作用的模型即为整体的光照明模型。

物体所表现的颜色与光源有密切的关系。光照模型的作用就是计算物体可见表面上每个点的颜色与光源的关系，因此它是决定图形真实感的一项重要内容。物体表面发出的光是极其复杂的，它既与环境中光源的数目、形状、位置、光谱组成和光强分布有关，也与物体本身的反射特性和物体表面的朝向有关，甚至还与人眼对光线的生理和心理视觉因素有关。把这一切都通过计算机精确地计算出来是不现实的，我们只能用尽可能精确的数学模型——光照模型来模拟光和物体的相互作用，从而近似地计算物体可见表面每一点的亮度和颜色。最基本的光照模型是Phong模型，它首次使光源和视点的位置可以任意选定。

1.2 光线跟踪

光线跟踪常用算法的基本原理是从视点向每个象素发出一条光线，它与场景中的一些物体表面相交，最近的交点即为可见点，记为P，像素的亮度即由P点的亮度确定。由Whitted光照模型可知，P点的亮度由三部分组成：其中Isl可以直接由局部光照模型计算得到。为了求Isl和Itl，从P点发出反射光线和透射光线，它分别交场景中的物体表面于Ps和Pt，Ps和Pt点的亮度即分别为Isl和Itl ，将它们求出代入Whitted模型即可。但是，Isl和Itl同样由Whitted模型确定，即Whitted模型是一个递归式，从而计算Isl和Itl需要重复以上的计算过程：计算局部光亮度、发出反射光线与透射光线，可以用一棵光线树来表示。如图1所示。

1.3 消隐

消隐的对象是三维物体；三维体的表示主要有边界表示和CSG表示等；消隐结果与观察物体有关，也与视点有关。可分为隐藏线消除和隐藏面消除两种。前者主要用在线框图的绘制， Catmull 提出的Z-Buffer算法是最常用的隐藏面消除算法。其算法思想是：先将Z缓冲器中每个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；如果大于，说明当前多边形更靠近观察点，用它的颜色替换像素原来的颜色；否则说明在当前像素处，当前多边形被前面所绘制的多边形遮挡了，是不可见的，像素的颜色值不改变。

2 复杂植物场景的真实感生成技术

2.1 自然景物模拟

自然景物模拟是现在非常流行的一个话题，因此它也是计算机图形学的一个重要组成部分。在经典的欧几里德几何中，我们可以用直线，圆锥等规则的形状去描述诸如墙，车轮等形状规则的人造物体。而在自然界中，却存在许多不规则的形状复杂的物体，我们可以用分行几何的方法对其进行描述。

高度复杂的植物场景的构造和真实感绘制就是自然景物的一种模拟。植物

对象比如草地和树木是虚拟自然场景的重要组成部分。这类物体因其形状，形态随时间的推移而动态地，随机地发生变化，很难用常规的建模方法及模拟技术来生成。我们根据植物的自身特点，可以分别采用多边形，纹元和体纹理等作为工具来构造不同的植物。树木的绘制手段有多种，常用的是绘制用粒子系统构造的树，直接绘制多边形等几何面所构造的树以及绘制由三维纹理构造的远距离的树这三种方法。

2.2 纹元

最初由Kajiya 和Kay 提出的纹元， 是指用来近似表示许多微面总体光学特性的一个三维参数数组。纹元数组空间中的任意一个体元都存储着如下三个部分的内容： 密度标量Q，表示的是该体元包含的所有微面的近似投影面积；结构场B，表示的是该体元中各微面的局部方向；光照模型7，它决定将有多少光线从微面散射出来。

对于纹元绘制的光照模型， 我们采用类似于kajiya使用的方法。由于草叶子或者松针本身的方向向量（切向量t） 是可以通过纹元的变形精确求取的， 因而对双向光照反射函数的计算可以采用局部光照模型。

2.3 体纹理

体纹理是构造复杂自然场景的重要工具，三维体纹理使用的依据是自然景物的重复性。相同物种在形态和结构上通常都比较类似。对每一品种的植物构造有限个体纹理模型，再将这些体纹理映射到自然场景中，只要对体纹理的映射大小、形状和方向有一定的随机性以避免单一，这样构造出来的自然场景在视觉效果上就可以接近真实场景。当然，利用体纹理构造和绘制高度自然场景也存在许多困难，主要有三个方面：如何构造所需的体纹理；如何解决分辨率和存储量之间的矛盾；如何减少运算量使得体纹理技术可以广泛应用。

3 总结和展望

3.1 本文的总结

本文主要介绍了图形的真实感生成技术与真实感绘制的方法，并且对不同的算法进行比较，重点讲述了自然景物的绘制，它的难点主要在于原始数据的存储和光照计算。该文讲的是自然界中植物的绘制，包括草地、树木和森林，它们结构上高度复杂随机又各具特点，这就决定了我们必须根据这些特点采取不同的构造和绘制技术，才能保证存储和计算的效率。针对不同的环境特征和不同类型的树木，我们可以分别采用基于OpenGL 的深度缓存阴影生成算法、结合光线跟踪和纹元绘制技术以及结合体绘制技术的光线跟踪方法。这几种绘制手段对应于各自相应的场景都有效可行。

3.2 进一步的工作

复杂场景的真实感绘制的研究内容非常广泛，有许多值得进一步探讨的课题：在划分场景的时候如何考虑由于有向反射或者透射等产生的光能分布，比如镜面反射光线造成的阴影，是场景划分的另一个有意义的研究课题；如何构造和绘制高度复杂的植被场景，包括不同距离的草地树木和森林等，如何提高包括纹元，体纹理和几何曲面等不同元素构成的场景的绘制效率；为了提高绘制效率.通常需要将场景进行划分。分别绘制然后再合成。对划分场景的标准的确定。以及如何合成最终结果、如何考虑不同部分的相互作用，都是值得进一步研究的课题。

参考文献：

[1] 潘云鹤.计算机图形学原理，方法及应用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2] 杜世培.计算机图形与图像处理技术课件[M].重庆：重庆大学出版社，2001.

[3] 唐荣锡.计算机图形学教程[M].北京：科学出版社，2000.

[4] Q Peng，Y Zhu，Y Liang.A Fast Ray Tracing Algorithm Using Space IndexingTechniques[J].EUROGRAPHICS'87，1987.

[5] Feng Jin Hui，Chen Yan Yun，Yan Tao.Going with wind—physically2based animation of trees[J].Chinese Journal of Computer，1998.