真實(shí)感圖形的發(fā)展是比較早的，在1967年，Wylie等人第一次在顯示物體時(shí)加進(jìn)光照效果，認(rèn)為光強(qiáng)與距離成反比；1970年，Bouknight提出第一個(gè)光反射模型：Lambert漫反射+環(huán)境光；1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的思想；1975年，Phong提出圖形學(xué)中第一個(gè)有影響的光照明模型。

　　摘要：真實(shí)感圖形是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中一個(gè)重要的組成部分，它的基本要求是在計(jì)算機(jī)中生成三維場(chǎng)景的真實(shí)感圖形或圖象。多媒體教育、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、科學(xué)計(jì)算可視化、動(dòng)畫制作、電影特技模擬、計(jì)算機(jī)游戲等許多方面，真實(shí)感圖形學(xué)都發(fā)揮了重要的作用。其中的核心內(nèi)容就是真實(shí)感繪制，它有多種方法，其中植物場(chǎng)景的真實(shí)感繪制是比較常用的。例如對(duì)于場(chǎng)景中的物體、要得到它的真實(shí)感圖形，就要對(duì)它進(jìn)行透視投影，并消除隱藏面，然后計(jì)算可見面的光照明暗效果等。

　　關(guān)鍵詞：真實(shí)感繪制技術(shù),自然場(chǎng)景,體紋理,光線跟蹤

　　真實(shí)感圖形繪制技術(shù)是圖形學(xué)繪制技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，它的目標(biāo)是根據(jù)幾何場(chǎng)景的造型、材質(zhì)和光源分布，將其轉(zhuǎn)變成跟真實(shí)場(chǎng)景在視覺效果上非常相似的圖象，使觀察者有身臨其境的感覺。計(jì)算機(jī)自然景物模擬，因其所具有的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域，而成為計(jì)算機(jī)圖形的一個(gè)重要分支。在商店的室內(nèi)外裝飾中，為增強(qiáng)商店對(duì)顧客的吸引力，刺激起顧客的購(gòu)買欲，商店裝飾設(shè)計(jì)者常常會(huì)使用一些自然景物等非規(guī)則構(gòu)件來美化商店的室內(nèi)外環(huán)境，如假山，花草，樹木，云彩等。

　　1真實(shí)感繪制算法

　　1.1光照模型

　　既是模擬物體表面的光照明物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型�？梢詣澐譃楹�(jiǎn)單的光照模型和整體的光照模型兩類。

　　簡(jiǎn)單的光照明模型，假設(shè)物體是不透明的，只考慮光源的直接照射，而將光在物體之間的傳播效果籠統(tǒng)地模擬為環(huán)境光�？梢蕴幚砦矬w之間光照的相互作用的模型即為整體的光照明模型。

　　物體所表現(xiàn)的顏色與光源有密切的關(guān)系。光照模型的作用就是計(jì)算物體可見表面上每個(gè)點(diǎn)的顏色與光源的關(guān)系，因此它是決定圖形真實(shí)感的一項(xiàng)重要內(nèi)容。物體表面發(fā)出的光是極其復(fù)雜的，它既與環(huán)境中光源的數(shù)目、形狀、位置、光譜組成和光強(qiáng)分布有關(guān)，也與物體本身的反射特性和物體表面的朝向有關(guān)，甚至還與人眼對(duì)光線的生理和心理視覺因素有關(guān)。把這一切都通過計(jì)算機(jī)精確地計(jì)算出來是不現(xiàn)實(shí)的，我們只能用盡可能精確的數(shù)學(xué)模型——光照模型來模擬光和物體的相互作用，從而近似地計(jì)算物體可見表面每一點(diǎn)的亮度和顏色。最基本的光照模型是Phong模型，它首次使光源和視點(diǎn)的位置可以任意選定。

　　1.2光線跟蹤

　　光線跟蹤常用算法的基本原理是從視點(diǎn)向每個(gè)象素發(fā)出一條光線，它與場(chǎng)景中的一些物體表面相交，最近的交點(diǎn)即為可見點(diǎn)，記為P，像素的亮度即由P點(diǎn)的亮度確定。由Whitted光照模型可知，P點(diǎn)的亮度由三部分組成：其中Isl可以直接由局部光照模型計(jì)算得到。為了求Isl和Itl，從P點(diǎn)發(fā)出反射光線和透射光線，它分別交場(chǎng)景中的物體表面于Ps和Pt，Ps和Pt點(diǎn)的亮度即分別為Isl和Itl，將它們求出代入Whitted模型即可。但是，Isl和Itl同樣由Whitted模型確定，即Whitted模型是一個(gè)遞歸式，從而計(jì)算Isl和Itl需要重復(fù)以上的計(jì)算過程：計(jì)算局部光亮度、發(fā)出反射光線與透射光線，可以用一棵光線樹來表示。如圖1所示。

　　1.3消隱

　　消隱的對(duì)象是三維物體；三維體的表示主要有邊界表示和CSG表示等；消隱結(jié)果與觀察物體有關(guān)，也與視點(diǎn)有關(guān)。可分為隱藏線消除和隱藏面消除兩種。前者主要用在線框圖的繪制，Catmull提出的Z-Buffer算法是最常用的隱藏面消除算法。其算法思想是：先將Z緩沖器中每個(gè)單元的初始值置為最小值。當(dāng)要改變某個(gè)像素的顏色值時(shí)，首先檢查當(dāng)前多邊形的深度值是否大于該像素原來的深度值；如果大于，說明當(dāng)前多邊形更靠近觀察點(diǎn)，用它的顏色替換像素原來的顏色；否則說明在當(dāng)前像素處，當(dāng)前多邊形被前面所繪制的多邊形遮擋了，是不可見的，像素的顏色值不改變。

　　2復(fù)雜植物場(chǎng)景的真實(shí)感生成技術(shù)

　　2.1自然景物模擬

　　自然景物模擬是現(xiàn)在非常流行的一個(gè)話題，因此它也是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)重要組成部分。在經(jīng)典的歐幾里德幾何中，我們可以用直線，圓錐等規(guī)則的形狀去描述諸如墻，車輪等形狀規(guī)則的人造物體。而在自然界中，卻存在許多不規(guī)則的形狀復(fù)雜的物體，我們可以用分行幾何的方法對(duì)其進(jìn)行描述。

　　高度復(fù)雜的植物場(chǎng)景的構(gòu)造和真實(shí)感繪制就是自然景物的一種模擬。植物

　　對(duì)象比如草地和樹木是虛擬自然場(chǎng)景的重要組成部分。這類物體因其形狀，形態(tài)隨時(shí)間的推移而動(dòng)態(tài)地，隨機(jī)地發(fā)生變化，很難用常規(guī)的建模方法及模擬技術(shù)來生成。我們根據(jù)植物的自身特點(diǎn)，可以分別采用多邊形，紋元和體紋理等作為工具來構(gòu)造不同的植物。樹木的繪制手段有多種，常用的是繪制用粒子系統(tǒng)構(gòu)造的樹，直接繪制多邊形等幾何面所構(gòu)造的樹以及繪制由三維紋理構(gòu)造的遠(yuǎn)距離的樹這三種方法。

　　2.2紋元

　　最初由Kajiya和Kay提出的紋元，是指用來近似表示許多微面總體光學(xué)特性的一個(gè)三維參數(shù)數(shù)組。紋元數(shù)組空間中的任意一個(gè)體元都存儲(chǔ)著如下三個(gè)部分的內(nèi)容：密度標(biāo)量Q，表示的是該體元包含的所有微面的近似投影面積；結(jié)構(gòu)場(chǎng)B，表示的是該體元中各微面的局部方向；光照模型7，它決定將有多少光線從微面散射出來。

　　對(duì)于紋元繪制的光照模型，我們采用類似于kajiya使用的方法。由于草葉子或者松針本身的方向向量（切向量t）是可以通過紋元的變形精確求取的，因而對(duì)雙向光照反射函數(shù)的計(jì)算可以采用局部光照模型。

　　2.3體紋理

　　體紋理是構(gòu)造復(fù)雜自然場(chǎng)景的重要工具，三維體紋理使用的依據(jù)是自然景物的重復(fù)性。相同物種在形態(tài)和結(jié)構(gòu)上通常都比較類似。對(duì)每一品種的植物構(gòu)造有限個(gè)體紋理模型，再將這些體紋理映射到自然場(chǎng)景中，只要對(duì)體紋理的映射大小、形狀和方向有一定的隨機(jī)性以避免單一，這樣構(gòu)造出來的自然場(chǎng)景在視覺效果上就可以接近真實(shí)場(chǎng)景。當(dāng)然，利用體紋理構(gòu)造和繪制高度自然場(chǎng)景也存在許多困難，主要有三個(gè)方面：如何構(gòu)造所需的體紋理；如何解決分辨率和存儲(chǔ)量之間的矛盾；如何減少運(yùn)算量使得體紋理技術(shù)可以廣泛應(yīng)用。

　　3總結(jié)和展望

　　3.1本文的總結(jié)

　　本文主要介紹了圖形的真實(shí)感生成技術(shù)與真實(shí)感繪制的方法，并且對(duì)不同的算法進(jìn)行比較，重點(diǎn)講述了自然景物的繪制，它的難點(diǎn)主要在于原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和光照計(jì)算。該文講的是自然界中植物的繪制，包括草地、樹木和森林，它們結(jié)構(gòu)上高度復(fù)雜隨機(jī)又各具特點(diǎn)，這就決定了我們必須根據(jù)這些特點(diǎn)采取不同的構(gòu)造和繪制技術(shù)，才能保證存儲(chǔ)和計(jì)算的效率。針對(duì)不同的環(huán)境特征和不同類型的樹木，我們可以分別采用基于OpenGL的深度緩存陰影生成算法、結(jié)合光線跟蹤和紋元繪制技術(shù)以及結(jié)合體繪制技術(shù)的光線跟蹤方法。這幾種繪制手段對(duì)應(yīng)于各自相應(yīng)的場(chǎng)景都有效可行。

　　3.2進(jìn)一步的工作

　　復(fù)雜場(chǎng)景的真實(shí)感繪制的研究?jī)?nèi)容非常廣泛，有許多值得進(jìn)一步探討的課題：在劃分場(chǎng)景的時(shí)候如何考慮由于有向反射或者透射等產(chǎn)生的光能分布，比如鏡面反射光線造成的陰影，是場(chǎng)景劃分的另一個(gè)有意義的研究課題；如何構(gòu)造和繪制高度復(fù)雜的植被場(chǎng)景，包括不同距離的草地樹木和森林等，如何提高包括紋元，體紋理和幾何曲面等不同元素構(gòu)成的場(chǎng)景的繪制效率；為了提高繪制效率.通常需要將場(chǎng)景進(jìn)行劃分。分別繪制然后再合成。對(duì)劃分場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)的確定。以及如何合成最終結(jié)果、如何考慮不同部分的相互作用，都是值得進(jìn)一步研究的課題。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]潘云鶴.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理，方法及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2003.

　　[2]杜世培.計(jì)算機(jī)圖形與圖像處理技術(shù)課件[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2001.

　　[3]唐榮錫.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教程[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

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