1.1 定义#

可见性算法或隐藏面消除的目的是确定从选定的观察位置可以看到场景中的哪些部分。

1.2 目的#

正确的渲染需要正确的可见性计算。当多个不透明多边形覆盖同一屏幕区域时，只有最前面的多边形是可见的（移除隐藏面）。

1.3 算法类型#

1.4 背面剔除算法 (Back-face Culling Algorithm)#

• 仅绘制面向摄像机的多边形，隐藏背向摄像机的多边形。

• 对于每个多边形面 $f$，计算从视点 $\mathbf{v}$ 到 $f$ 上任意点 $\mathbf{p}$ 的向量：

  • 如果 $\mathbf{n} \cdot (\mathbf{p} - \mathbf{v}) \geq 0$，则不可见。
  • 如果 $\mathbf{n} \cdot (\mathbf{p} - \mathbf{v}) < 0$，则可见。

• $\mathbf{n}$ 是面的法向量：

  

  $\mathbf{n} = (\mathbf{v}_1 - \mathbf{v}_0) \times (\mathbf{v}_2 - \mathbf{v}_0)$

• 优点：易于实现且效率很高；其复杂度为 $O(n)$ ，其中 $n$ 是多边形的数量。

• 缺点：对凹多面体无效。

1.5 深度排序/画家算法 (Depth-sorting (Painter’s) Algorithm)#

• 按照表面到视点的距离排序。

• 从最远的表面开始渲染，逐渐到最近的表面。

• 后绘制的表面会覆盖之前绘制的重叠表面。

• 对于相交多边形或循环重叠，复杂性会增加。

  

1.6 Z缓冲算法 (Z-buffering Algorithm)#

• 需要两个缓冲区：帧缓冲区和深度缓冲区（Z缓冲区）。
• 深度缓冲区存储可见表面的深度值。
• 对于每个像素：
  1. 初始化深度缓冲区为最大值。
  2. 逐个渲染表面。
  3. 将每个像素的深度值与深度缓冲区比较。
  4. 如果新的深度值更小，则更新深度缓冲区和帧缓冲区。

2.1 光源 (Light Sources)#

• 环境光 (Ambient Light) ：从各个方向均匀发出的光，使物体均匀受光。

• 点光源 (Point Light Source)：发出定向光线。如远距离太阳光，近距离台灯。

  

• 聚光灯 (Spotlight)：在特定方向投射强光束。

• 区域光源 (Area Light Source)：占据有限区域，并投射柔和阴影。

  

2.2 Phong光照模型#

一个光照模型（又称照明模型）通过模拟某些光照属性（即，光能从光源通过直接和间接路径传递到场景中的物体）来确定表面点的颜色。

3.1 平面着色 (Flat Shading)#

• 每个多边形只计算一次光强。
• 快速但会导致多边形之间的光强不连续。

3.2 平滑着色 (Smooth Shading)#