3.图形实时绘制与自然景物仿真 在计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制。真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性,简单 的说就是物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度,以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。这其中光 照和表面属性是最难模拟的。为了模拟光照,已有各种各样的光照模型。从简单到复杂排列分别是:简单光照 模型、局部光照模型和整体光照模型。从绘制方法上看有模拟光的实际传播过程的光线跟踪法,也有模拟能量 交换的辐射度方法。除了建造计算机可实现的逼真物理模型外,真实感绘制还有一个研究重点是研究加速算法 力求能在最短时间内绘制出最真实的场景。例如求交算法的加速、光线跟踪的加速等等,象包围体树、自适应 八叉树都是著名的加速算法。实时的真实感绘制已经成为当前真实感绘制的硏究热点,而当前真实感图形实时 绘制的两个热点问题则是物体网格模型的面片简化和基于图象的绘制( IBR Image Based Rendering)。网格模 型的面片简化,就是指对网格面片表示的模型,在一定误差的精度范围内,删除点、边、面,从而简化所绘制 场景的复杂层度,加快图形绘制速度。IBR完全摒弃传统的先建模,然后确定光源的绘制的方法。它直接从 系列已知的图象中生成未知视角的图象。这种方法省去了建立场景的几何模型和光照模型的过程,也不用进行 如光线跟踪等极费时的计算。该方法尤其适用于野外极其复杂场景的生成和漫游 另外,真实感绘制已经从最初绘制简单的室内场景发展到现在大量模拟野外自然景物,比如绘制山、水、云、 树、火等等。人们提出了多种方法来绘制这些自然景物,比如绘制火和草的粒子系统( Particle System),基 于生理模型的绘制植物的方法,绘制云的细胞自动机方法等。也出现了一些自然景物仿真绘制的综合平台,如 德国 Lintermann和 Deussen的绘制植物的平台 Forg,以及清华大学自主开发的自然景物设计平台。 图1.3.2由清华大学自然景物平台生成的野外场景 图1.3.3日本 Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云( Siggraph2000) 计算机图形学第一章第6页共17页6
计算机图形学 第一章 第 6 页 共 17 页 6 3. 图形实时绘制与自然景物仿真 在计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制。真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单 的说就是物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。这其中光 照和表面属性是最难模拟的。为了模拟光照，已有各种各样的光照模型。从简单到复杂排列分别是：简单光照 模型、局部光照模型和整体光照模型。从绘制方法上看有模拟光的实际传播过程的光线跟踪法，也有模拟能量 交换的辐射度方法。除了建造计算机可实现的逼真物理模型外，真实感绘制还有一个研究重点是研究加速算法， 力求能在最短时间内绘制出最真实的场景。例如求交算法的加速、光线跟踪的加速等等，象包围体树、自适应 八叉树都是著名的加速算法。实时的真实感绘制已经成为当前真实感绘制的研究热点，而当前真实感图形实时 绘制的两个热点问题则是物体网格模型的面片简化和基于图象的绘制（IBR Image Based Rendering）。网格模 型的面片简化，就是指对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内，删除点、边、面，从而简化所绘制 场景的复杂层度，加快图形绘制速度。IBR 完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制的方法。它直接从一 系列已知的图象中生成未知视角的图象。这种方法省去了建立场景的几何模型和光照模型的过程，也不用进行 如光线跟踪等极费时的计算。该方法尤其适用于野外极其复杂场景的生成和漫游。 另外，真实感绘制已经从最初绘制简单的室内场景发展到现在大量模拟野外自然景物，比如绘制山、水、云、 树、火等等。人们提出了多种方法来绘制这些自然景物，比如绘制火和草的粒子系统（Particle System），基 于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等。也出现了一些自然景物仿真绘制的综合平台，如 德国 Lintermann 和 Deussen 的绘制植物的平台 Xforg，以及清华大学自主开发的自然景物设计平台。 图 1.3.2 由清华大学自然景物平台生成的野外场景 图 1.3.3 日本 Yoshinori Dobashi 等人绘制的真实感云（Siggraph’2000）
图1.3.4 Xfrog3.0生成的挪威云杉 4.计算机动画 随着计算机图形学和计算机硬件的不断发展,人们已经不满足于仅仅生成高质量的静态场景,于是计算机动 画就应运而生。事实上计算机动画也只是生成一幅幅静态的图象,但是每一幅都是对前一幅做一小部分修改(如 何修改便是计算机动画的研究内容),这样,当这些画面连续播放时,整个场景就动起来了。 早期的计算机动画灵感来源于传统的卡通片,在生成几幅被称做“关键帧"的画面后,由计算机对两幅关键帧 进行插值生成若干“中间帧”,连续播放时两个关键帧就被有机地结合起来了。计算机动画内容丰富多彩,生成动 画的方法也多种多样,比如基于特征的图象变形,二维形状混合,轴变形方法、三维自由形体变形(FFD, Free-Form Deformation)等。 近年来人们普遍将注意力转向基于物理模型的计算机动画生成方法。这是一种崭新的方法,该方法大量运用 弹性力学和流体力学的方程进行计算,力求使动画过程体现出最适合真实世界的运动规律。然而要真正到达真 实的运动是很难的,比如人的行走或跑步是全身的各个关节协调的结果,要实现很自然的人走路的动画,计算 方程非常复杂和计算量极大,基于物理模型的计算机动画还有许多内容需要进一步研究 20世纪90年代是计算机动画应用辉煌的十年。 Disney公司每年都要出一部制作精美的卡通动画片,好莱坞 的大片屡屡大量运用计算机生成各种各样精彩绝伦的特技效果,广告设计,电脑游戏也频频运用计算机动画 计算机动画也因这些商业应用的大力推动而有了极大的发展 会 计算机图形学第一章第7页共17页7
计算机图形学 第一章 第 7 页 共 17 页 7 图 1.3.4 Xfrog3.0 生成的挪威云杉 4. 计算机动画 随着计算机图形学和计算机硬件的不断发展，人们已经不满足于仅仅生成高质量的静态场景，于是计算机动 画就应运而生。事实上计算机动画也只是生成一幅幅静态的图象，但是每一幅都是对前一幅做一小部分修改（如 何修改便是计算机动画的研究内容），这样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起来了。 早期的计算机动画灵感来源于传统的卡通片，在生成几幅被称做“关键帧”的画面后，由计算机对两幅关键帧 进行插值生成若干“中间帧”，连续播放时两个关键帧就被有机地结合起来了。计算机动画内容丰富多彩，生成动 画的方法也多种多样，比如基于特征的图象变形，二维形状混合，轴变形方法、三维自由形体变形(FFD, Free-Form Deformation)等。 近年来人们普遍将注意力转向基于物理模型的计算机动画生成方法。这是一种崭新的方法，该方法大量运用 弹性力学和流体力学的方程进行计算，力求使动画过程体现出最适合真实世界的运动规律。然而要真正到达真 实的运动是很难的，比如人的行走或跑步是全身的各个关节协调的结果，要实现很自然的人走路的动画，计算 方程非常复杂和计算量极大，基于物理模型的计算机动画还有许多内容需要进一步研究。 20 世纪 90 年代是计算机动画应用辉煌的十年。Disney 公司每年都要出一部制作精美的卡通动画片，好莱坞 的大片屡屡大量运用计算机生成各种各样精彩绝伦的特技效果，广告设计，电脑游戏也频频运用计算机动画。 计算机动画也因这些商业应用的大力推动而有了极大的发展