第七章 Hidden Surface Removal

1. 第七章 Hidden Surface Removal

2. Hidden-Line Removal Hidden-Surface Removal 方法： 1. Back-Face Removal 2. Depth-Buffer Z-Buffer 3. Scan-Line Method 4. Depth Sorting 5. Area Subdivision 6. Octree Method

3. Hidden-Line Hidden-Surface Removal Object Space 用物體的幾何定義來計算。 物體 → 幾何定義 → 點、線、面 → 決定哪部分物體是看得到的 → 畫出看得到的部分物體 → 畫素畫出 Image Space 用畫出物體的畫素(pixels)來計算。 物體 → 物體畫出來的畫素 → 畫素 → 決定哪些畫素是看得到的 → 畫出看得到的畫素 → 畫素畫出

4. Back-Face Removal 利用平面程式來決定 哪些平面在後面，即看不到的平面 Plane Equation 在Right-Handed Coordinate System 如果 則 在“Inside” of plan 點與面的關係

5. <0 >0 Y N(A,B,C) X view Direction 平面 Plane 看不到 Invisible, hidden Z view point Identify all hidden surfaces 特點： 1. 快速決定 Completely Visible Completely Hidden 因為在幾何運算較簡單 2. Partially Hidden Need more test 再處理 可先處理大部分的面 fast

6. 假設 為viewing position。 向一平面 看去。 ● 如果 true Back Face Cannot see from

7. Normal Vector of Plane N(A,B,C) Z Normal Vector 的 Component C 是平行 Viewing Direction ● 如果C<0 Normal Vector points away from viewing position 指向離開 Back Face C

8. Plane Equation 3 points on the plane (not colinear)

9. Two Planes Plane 1： Plane 2： Plane 1 Plane 1 Plane 1 Plane 1 相同

10. Depth - Buffer Algorithm Z – Buffer Algorithm Image Space ●Test Visibility one pixel at a time ● For each (x,y) pixel, the surface with the smallest Z at that position is visible

11. ● ● ● ● Viewing Direction 遠→Z 大 近→Z 小 的Z值最小， 有最小Z值，只顯示畫出 亮度 Intensity of S3 (Z3) Saved for position (x,y)

12. 2 buffers Depth Buffer：Store Z-value for each (x,y) position, 儲存所有(x,y)位置的 Refresh Buffer：Store Intensity Value for each (x,y) position 儲存所有(x,y)位置的 Z值 亮度

13. 步驟： 0. Depth Normalized 0~1 Initially, all positions Depth Buffer 1 (Maximum) Refresh Buffer Background 1. 處理每一Surface，轉成畫素，計算每一個(x,y)位置 的Z-value 2. 比較相同(x,y)位置的Z-value 3. 如果新的Z比較小，儲存新的Z改變Intensity

14. Depth – Buffer Algorithm (Z - Buffer) 1. Initialize Depth Buffer and Refresh Buffer。 初始值 所有的(x,y)位置 Depth (x,y)=1 Refresh (x,y)=Background 2. 計算Surface上每一(x,y)點的Z值。 設Z(x,y) =z 為其Z值。 I (x,y) =i 為其亮度 Intensity。

15. 3. If Z (x,y)<Depth (x,y) Z在前面 Then set Depth (x,y) = Z (x,y) Refresh (x,y) = I (x,y) If z < 目前 Depth (x,y)不在前 Not Vision 4. 重複處理所有Surfaces的所有(x,y)位置。

16. Depth-Buffer(Z-Buffer)方法 相當於是尋找最小的zi以表現(x,y)畫出的亮度 Depth–Buffer Refresh–Buffer 最小Z值，表現其亮度及畫出 z1最小 (x,y)位置只畫出 的亮度顏色

17. 從左進入(outside→inside)→給ON 從右離開(outside→inside)→給OFF outside outside inside X+ Scan Line ON OFF Scan - Line Method Image-Space ● one scan line at a time 一次處理一條掃描線 ● 所有與Scan line有intersection交點的edges邊線， 將被用來判斷一Surface面是否Visible 1. 所有的面的邊緣列出並sorted in order of increasing x。 2. 一條一條Scan line從左到右掃描通過所有Surface。 3. Scan line與Surface交點給一flag。

18. B E S2 S1 Scan line1 1 F A 2 2 3 3 C H D G Line 1 通過AB, BC, HE, EF Line 1 AB → BC 只有S1 flag ON Intensity for S1 ON 只畫S1 HE → EF 只有S2 flag ON Line 2 通過DA, HE, BC, FG DA →HES1 ON HE →BCBOTH ON BC →FGS1 OFF S2 ON FG → S2 OFF

19. ● 只有一個Surface ON 只畫一個Surface ●Both Surface ON 計算depth，詳細比較 例如depth of S1< S2 則顯示S1 ，直到通過BC S2 S1 OFF→Background ON 1 ON OFF ON OFF OFF ON 2 3 ON ON OFF ON OFF

20. Image-Space Object-Space ● 在Object-Space比較深度 在Image-Space做Scan-conversion由遠到近畫出 ●Both 1. Surfaces 做Depth Z由大到小的排列 • Object Space • Largest Z-value of each surface P, Q,R, S, T Surfaces Z小 Z大 Depth – Sorting Method

21. 2. Resolve ambiguities。解決不清楚處 Reordering。重排 Z大 → Z小 3. Surfaces 以Depth Z大到小的順序，做Scan-Conversion 畫出。 • 由遠而近，Z大 → Z小 • Image Space 主要方法 Sorting in Object Space Scan-Conversion in Image Space also call painter’s Algorithm

22. 假設有P,Q,R,… Surface • 由大Z到小z排列 • 假如在Depth上沒有重疊 → 依序做Scan-convert • 假如在Depth上有重疊 → Test

23. 假設有Q與P重疊 • 以下Test Q與P，4項Test • 2個Surfaces投影到X-Y plane，在X-Y plane上2個Surfaces的Bounding Rectangle沒有重疊，在X-extent，Y-extent都無重疊。 • Surface P is on outside of Q. • Surface Q is on inside of P. • 2個Surface在X-Y平面plane上的投影沒有重疊。 (同一側) (Zpmax>ZQmax) outside 遠 inside 近 相對於view plane, (同一側) (Zpmax<ZQmax) outside 遠 inside 近

24. Zv Zv P P Q Q Xv Yv No Depth Overlap Zv 有Depth overlap No overlap P X Y Q in Direction Xv 1.

25. Zv P outside Q View Direction inside Xv Zv outside P inside Q Xv 2. P is “outside” Q P is “outside” Q

26. Zv P Q Xv Zv P Q Xv 3. P is “inside” Q P is “inside” Q

27. 計算方法 Test 1: 比較Bounding Rectangles的X-extent，Y-extent之座標。 Test 2: Q plane Equation EX + FY + GZ + H = 0 Vertices of P 代入 Q plane e.q. Ex + Fy + Gz + H > 0 P outside Q (x,y,z)

28. Test 3: P plane equation AX + BY + GZ + D = 0 Vertices of Q代入P plane equation Ax’ + By’ + Cz’ + D < 0 Q inside P (x’,y’,z’)

29. y y x x Test 4: 1.計算是否有intersection。 2.Surfaces在X-Y平面上的投影projection是否有 intersection。

30. Q Q1 Q2 交疊交切複雜時，先分割小的單純面。

31. 以上4 Test • 如果至少1個正確成立 保持原來order • 如果全部不成立 • Interchange P,Q(交換P,Q) • 將P,Q在sorted order list中之位置交換 (Z大到Z小) Z大 R Q P Z小 原來 Z大→Z小 P Q R view 1.不成立 2.P代入R equation<0 3.R代入P equation>0 4.不成立 • P,Q,R原來Z大→Z小 • Swap P,Q • Swap R,Q • 結果 Q R P

32. Area Subdivision Method Image Space • 一直連續分割一個區域成數個小方塊。 • 直到每小方塊都是單純的Visible or Hidden or No Surface • Subdivision • Single visible surface or No surface • If NOT → subdivision → (1) • Smallest division → a pixel

33. Subdivided Area小方塊 與 Surface 的關係 比較 Surface S Surface Area Area Area Area S Area Subdivision Warnock’s Algorithm Surrounding Surface Surface完全包含Area Inside Surface Surface完全在Area內 Outside Surface Surface完全在Area外 Overlapping Surface Surface 部分在內 部分在外

34. 結果 • Surfaces都在Area outside → Background color displayed in the area • 只有一個Surface且是inside or overlapping → 先填area為Background color，在畫Surface在area 內的部分 • 只有一個Surface且是Surrounding → area全畫Surrounding Surface的顏色 • 超過1個Surfaces是inside，overlapping，or surrounding，但有一Surrounding為最小Z → area畫此最小Z(最近)的Surrounding Surface

35. X Z outside inside intersection View Dir. surrounding Area X 如果以下有1個成立，就不必再做Subdivision。 • 全部Surfaces都是outside the area。 • 在area內只有1個inside，overlapping，or surrounding的surface。 • 一個Surrounding surface的Z值最小，蓋過其他surface。

36. pixel position 先畫 Surface S1 Surface S2 Final Image Hidden Area(S2)

37. S A1 A2 如果Subdivision一直到area小的為1個pixel →compare depth →類似 Z-buffer 變化的area分割法，以具有 min Z的surface來subdivide a area，沿著surface boundary做subdivision

38. 2 1 0 3 Quadtree 四分樹 • area分成四份 • 比較每一份中surface與area的關係 • Visible • Hidden • Inside • Outside • 關係清楚著色畫出 • 不清楚者再做Quadtree division

39. view 6 5 0 1 1 4 3 2 0 2 3 7 view Octree 八分樹 for viewing volume project octree nodes onto viewing surfaces 0,1,2,3 → front octants → visible 4,5,6,7 → back octants → hidden → removed