2024秋计算机图形学上机作业

工具链和平台

工具链	平台

编译

git-bash

mkdir build && cd build
cmake -G "MinGW Makefiles" -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release ..
mingw32-make -j16

powershell

mkdir build && cd build
cmake.exe -G "MinGW Makefiles" -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release ..
mingw32-make.exe -j16

功能

• 显示包围盒，面法线和ZBuffer
• 背面剔除
• 视域四棱锥裁剪
• 消隐算法
  • 简单的ZBuffer算法
  • 简单的层次ZBuffer算法
  • 层次ZBuffer算法 + 层次包围盒
• 基本的建模功能
  • 可以导入模型，调整模型，可以支持多边形网格
  • 可以导入光源（平行光、点光源），调整光源
  • 可以调整、移动相机
  • 可以调整光照模型

性能对比

模型	顶点数	面数
cube.obj	8	12
teapot.obj	7850	8028
geodesic_dual_classIII_20_7.obj	11780	5892
bun_zipper.obj	35947	69451
Armadillo.obj	172974	345944
dragon_vrip.obj	437645	871414
happy_vrip.obj	543652	1087716

使用内存不连续的Z Pyramid和递归算法 baseline

模型	Z Buffer	Z Buffer + Z Pyramid	Z Buffer + Z Pyramid + AABB	Interval Scandline
cube.obj	15	55	60	11
teapot.obj	21	55	97	27
geodesic_dual_classIII_20_7.obj	19	56	78	19
bun_zipper.obj	62	131	298	106
Armadillo.obj	265	441	1281	385
dragon_vrip.obj	613	879	3050	866
happy_vrip.obj	762	1045	4815	1070

使用内存连续的Z Pyramid和非递归算法

模型	Z Buffer	Z Buffer + Z Pyramid	Z Buffer + Z Pyramid + AABB	Interval Scandline
cube.obj	10	24	24	11
teapot.obj	21	27	55	27
geodesic_dual_classIII_20_7.obj	19	24	39	19
bun_zipper.obj	62	82	210	106
Armadillo.obj	265	332	1024	400
dragon_vrip.obj	619	762	2540	878
happy_vrip.obj	765	911	3807	1053

是否开启背面裁剪

模型	Z Buffer + cull	Z Buffer
cube.obj	10	11
teapot.obj	21	29
geodesic_dual_classIII_20_7.obj	19	30
bun_zipper.obj	62	115
Armadillo.obj	265	497
dragon_vrip.obj	619	1140
happy_vrip.obj	765	1345

存在大量物体被遮挡的场景下（10 个 dragon_vrip.obj 被 cube.obj 遮挡）(区间扫面线算法目前只考虑了单个模型的消隐，所以这里不进行测试)

Z Buffer	Z Buffer + Z Pyramid	Z Buffer + Z Pyramid + AABB
5880	6275	5542

性能分析

从结果来看，简单的Z Buffer算法效果最好，使用包围盒的层次Z Buffer反而表现不好。原因可能是层次包围盒的构造和查询占用了大量的时间。因为这里的包围盒不用加速与世界坐标下的射线求交，因此我在每一帧的屏幕坐标系下直接构造层次包围盒树。我实现的层次包围盒树使用了简单的按质心x坐标分割的二叉树，这样导致了大量的冗余节点。每次绘制模型时，需要从根节点开始，依次查询Z Pyramid，每次查询Z Pyramid都要花费一定的时间。由于大量的不可见面片已经被背面剔除去除，因此造成了许多冗余查询操作。从实验来看，背面剔除是最简单高效的加速算法。经过背面剔除后，对单个模型而言，剩下的面片倾向于整体可见或者整体不可见，因此一种更好的方式是对每个模型构造一个包围盒，然后在整个场景构造层次包围盒树。每次只用包围盒判断整个模型是否可见，然后直接用简单的Z Buffer算法绘制。