计算机图形学

第一章 图形系统和模型(3)

成像系统

成像系统

什么是成像

在计算机图形学中,在二维平面上成像,采用的过程和方法与现实世界中的成像方法类似,模拟的是如相机、望远镜、显微镜、人类视觉成像系统等的成像系统

成像系统

成像三要素

  • 成像对象
  • 观察者

此三种要素决定了光照如何影响场景中的各要素最终的成像效果,且这三种要素之间相互依赖

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光是一种电磁波,我们能够”看见“,是因为视觉系统受到光线的刺激所诱发的一系列过程所致

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光线追踪和几何光学

从光源开始,沿着光路找到进入相机镜头的光线强度和颜色,确定成像的像素颜色。但因为每条光线都会与多个物体产生交互作用,包括折射、反射、吸收等,计算相对复杂

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灰度图和彩色图

灰度图(Luminance Image)
单色图,各像素的值代表颜色的灰度值,类似于黑白电视的效果
彩色图(Color Image)
彩色图,可明确感受到颜色的明度、饱和度和色调,与人的视觉认知系统紧密联系。但无需表现出所有人类可感知的色彩

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人类视觉感知

成像系统

人类颜色感知

视杆细胞(Rod Cells)
分布于视网膜的周围,仅有一种光敏色素,对光线强度比视锥细胞更敏感,主要用于夜视感知,人类视网膜上平均有1亿2500万视杆细胞
视锥细胞(Cone Cells)
分布于视网膜黄斑区附近,有三种,分别对波长564, 534和420nm的波长敏感,即黄绿色、绿色和蓝紫色,将视觉信号混合即形成人类的颜色感知,人类视网膜上约有600至700万视锥细胞

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颜色模型

加色系统(RGB) VS 减色系统(CMY)

RGB,将三种颜色加和用于显示器,投影系统等
CMY,从白光中滤去三种颜色,主要用于印刷出版行业

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相机模型

小孔成像

$x_p=-x*d/z$,     $y_p=-y*d/z$,     $z_p=d$

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合成相机模型

成像系统

合成相机模型的优点

  • 对象、观察者、光源位置三者互相独立
  • 可将二维图形视作是三维图形在某个方向上的投影
  • 有助于简化API的设计,包括物体、相机、光源等的属性设置,通过简单的几何计算就能得到结果图像
  • 利于硬件快速高效实现

成像系统

成像

成像系统

窗口裁剪

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全局光照和局部光照

物体会同时受到全局光照和局部光照的影响。
部分物体会阻挡光通过,形成阴影;
光在通过部分物体时还会发生反射、折射等,使物体会不止受到一个光源的照射影响,也就无法为每个物体独立计算颜色、阴影等光照效果
有些物体是透明的

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基于物理的方法

  • 光线跟踪(Ray Tracing):从光源开始,沿着光路找到进入镜头的光线,形成图像,或者部分光线投射到无穷远处,或被物体吸收
  • 辐射度(Radiosity):基于能量的方法,以能量守恒为基础,计算量大,速度更慢,无法实时实现

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光线跟踪的特点

  • 光线跟踪基于物理的计算,更接近真实的光照效果
  • 对如多边形构成的简单物体或者简单的点光源,计算简单
  • 光线跟踪能够更好地处理全局光照,如各种阴影效果和多重反射
  • 光线跟踪的计算量较大,速度较慢,在硬件计算能力有限的条件下,不适用于实时交互应用,但是在利用GPU进行加速计算后,速度已能接近于实时

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成像过程

应用程序→几何处理→像素处理(光栅化)

  • 应用程序,提供图元,即用于描述三维物体的点、线、多边形等信息,及用于表面纹理映射的图案或位图
  • 几何处理,是将三维坐标变换为二维屏幕坐标的过程,包括了模型与视点变换,光照计算,投影计算,裁剪,屏幕投射等几个过程的计算
  • 光栅化,将屏幕对象先传送到像素处理器进行光栅化,后再对每个像素进行着色,再输出到帧缓冲器中,最后再输出到显示器