計(jì)算機(jī)圖形學(xué)--chp9-真實(shí)感繪制

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)吳 偉計(jì)算機(jī)學(xué)院E-mail: wuwei_2真實(shí)感繪制流程真實(shí)感繪制流程簡(jiǎn)單光照明模型簡(jiǎn)單光照明模型多邊形繪制方法多邊形繪制方法局部光照明模型局部光照明模型整體光照明模型整體光照明模型光線跟蹤法光線跟蹤法輻射度算法輻射度算法第9講 真實(shí)感圖形繪制3459.1 真實(shí)感繪制流程（1/2）n早期的光照明模型基于經(jīng)驗(yàn),只能反映光源直接照射的情況n比較精確的模型:通過(guò)模擬物體之間光的通過(guò)模擬物體之間光的相互作用相互作用，可以得到令人滿意的結(jié)果。n主要步驟n三維形體消隱-明暗處理-真實(shí)感形體-變換-光柵化-真實(shí)感圖像69.1 真實(shí)感圖形繪制的四個(gè)步驟 (2/2)n用數(shù)學(xué)方法建立所

2、需三維場(chǎng)景的幾何描述。通常是由三維造型系統(tǒng)完成。場(chǎng)景的幾何描述直接影響了圖形的復(fù)雜性和圖形繪制的計(jì)算開銷；n將三維幾何描述轉(zhuǎn)換為二維透視圖。通過(guò)對(duì)場(chǎng)景的透視變換來(lái)完成；n隱藏面消除，確定場(chǎng)景中的所有可見面，將視野之外或被其它物體遮擋的不可見面消去；n計(jì)算場(chǎng)景中可見面的顏色。根據(jù)基于光學(xué)物理的光照明模型計(jì)算可見面投射到觀察者眼中的光亮度大小和色彩組成，并將它轉(zhuǎn)換成適合圖形設(shè)備的顏色值，從而確定投影畫面上每一象素的顏色，最終生成圖形。7內(nèi)容提要n真實(shí)感繪制流程n簡(jiǎn)單光照明模型簡(jiǎn)單光照明模型n多邊形繪制方法n局部光照明模型n整體光照明模型n光線跟蹤法89.2 簡(jiǎn)單光照模型n僅考慮光源照射在物體表面產(chǎn)

3、生的反射光；n通常假定物體表面是光滑的且由理想材料構(gòu)成，只考慮被照明物體的幾何對(duì)反射和透射光的影響；n忽略光源的顏色和幾何形狀（點(diǎn)光源白光照明點(diǎn)光源白光照明）；n可以模擬出不透明物體表面的明暗過(guò)渡，具有一定的真實(shí)感。 但真實(shí)感較差，陰影區(qū)域邊界尖銳。9n簡(jiǎn)單光照明模型:反射被分為理想漫反射和鏡面反射光，n簡(jiǎn)單光透射模型:透射光分為理想漫透射光和規(guī)則透射光。n由光源發(fā)出的光稱為直接光，物體對(duì)直接光的反射或折射稱為直接反射和直接折射，相對(duì)的，把物體表面間對(duì)光的反射和折射稱為間接光，間接反射，間接折射。9.2 簡(jiǎn)單光照模型109.2 簡(jiǎn)單光照模型n環(huán)境光n漫反射n鏡面反射n光的衰減n產(chǎn)生彩色n采用多

4、個(gè)光源119.2.1 環(huán)境光n定義-光線在場(chǎng)景中經(jīng)過(guò)復(fù)雜傳播之后，形成的彌漫于整個(gè)空間的光線n光照明模型n 環(huán)境光亮度n 環(huán)境光反射系數(shù)n 物體表面呈現(xiàn)的亮度aaeIKI eIaKaI129.2.1 環(huán)境光（續(xù)）n例子例子 =1.0 ， =0.4， =0.8 aIaKaK139.2.2 漫反射(1/3)n點(diǎn)光源點(diǎn)光源-向周圍輻射等強(qiáng)度的光向周圍輻射等強(qiáng)度的光n漫反射漫反射-粗糙、無(wú)光澤物體（如粉筆）粗糙、無(wú)光澤物體（如粉筆）表面對(duì)光的反射表面對(duì)光的反射149.2.2 漫反射(2/3)n光照明方程n 點(diǎn)光源的亮度n 漫反射系數(shù)n 入射角2, 0cosdpdKIIpIdK159.2.2 漫反射（3

5、/3）n將環(huán)境光與漫反射結(jié)合起來(lái)n例子)(NLKIKIIIIdpaade169.2.3 鏡面反射與Phong模型n高光高光-入射光在光滑物體表面形成的特別亮的區(qū)域n鏡面反射鏡面反射-光滑物體（如金屬或塑料）表面對(duì)光的反射179.2.3 鏡面反射與Phong模型（續(xù)）n理想鏡面反射理想鏡面反射189.2.3 鏡面反射與Phong模型（續(xù)）n非理想鏡面反射非理想鏡面反射V-視點(diǎn)方向H199.2.3 鏡面反射與Phong模型（續(xù)）nPhong模型模型或nn-鏡面反射指數(shù)nspsKIIcosnspsRVKII)(209.2.3 鏡面反射與Phong模型（續(xù)）n將環(huán)境光、漫反射于鏡面反射結(jié)合起來(lái)nR的計(jì)

6、算，用的計(jì)算，用H*N代替代替n平行投影的好處，簡(jiǎn)化計(jì)算平行投影的好處，簡(jiǎn)化計(jì)算)()(nsdpaasdeRVKNLKIKIIIII219.2.4 光的衰減n光在光源到物體表面過(guò)程中的衰減光在光源到物體表面過(guò)程中的衰減n衰減函數(shù)n光照明方程) 1 ,1min()(2210dcdccdf)()()(nsdpaaRVKNLKIdfKII229.2.4 光的衰減（續(xù)）n光在物體表面到人眼過(guò)程中的衰減光在物體表面到人眼過(guò)程中的衰減nDepth Cueing技術(shù))(00bbfbfbZZZZSSSSdcISISI)1 (00239.2.5 產(chǎn)生彩色n選擇合適的顏色模型-RGB模型n為顏色模型中的每一種基色

7、建立光照明為顏色模型中的每一種基色建立光照明方程方程)()()(nsdpaaRVKNLKIdfKIIBGR,249.2.6 采用多個(gè)光源n采用m個(gè)光源的光照明方程minisidpiaaRVKNLKIdfKIIi1)()()(259.2.6 采用多個(gè)光源（續(xù)）269.3 多邊形繪制方法n均勻著色n光滑著色nGouraud著色方法nPhong著色方法n插值著色方法存在的問(wèn)題279.3.1 均勻著色(1/2)n方法n任取多邊形上一點(diǎn)，利用光照明方程計(jì)算出它的顏色n用這個(gè)顏色填充整個(gè)多邊形n適合于如下情況n光源在無(wú)窮遠(yuǎn)處n視點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處n多邊形是物體表面的精確表示289.3.1 均勻著色（2/2）n優(yōu)

8、點(diǎn)n每個(gè)多邊形只需計(jì)算一次光照明方程，速度快n缺點(diǎn)n相鄰多邊形顏色過(guò)渡不光滑299.3.2 光滑著色n方法-插值插值n顏色插值n法矢量插值309.3.2 Gouraud 著色方法n顏色插值著色方法n步驟步驟1、計(jì)算多邊形的單位法矢量2、計(jì)算多邊形頂點(diǎn)的單位法矢量319.3.2 Gouraud 著色方法（續(xù)）3、利用光照明方程計(jì)算頂點(diǎn)顏色4、對(duì)多邊形頂點(diǎn)顏色進(jìn)行雙線性插值，獲得多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的顏色1221121441141()()1()()1()()assbsssbbsasabaIIyyIyyyyIIyyIyyyyIIxxIxxxx32Phong雙線性法向插值n雙線性光強(qiáng)插值解決了相鄰多邊形之間

9、的顏色突變問(wèn)題，鏡面反射效果不太理想，相鄰多邊形的邊界處的馬赫帶效應(yīng)不能完全消除n改進(jìn)改進(jìn)Phong提出雙線性，以時(shí)間為代價(jià)，引入鏡面反射，解決高光問(wèn)題339.3.3 Phong著色方法n法向插值著色方法n步驟步驟1、計(jì)算多邊形單位法矢量2、計(jì)算多邊形頂點(diǎn)單位法矢量3、對(duì)多邊形頂點(diǎn)法矢量進(jìn)行雙線性插值，獲得內(nèi)部各點(diǎn)的法矢量4、利用光照明方程計(jì)算多邊形內(nèi)部各點(diǎn)顏色34法向插值方法n方法與光強(qiáng)插值類似，其中的光強(qiáng)項(xiàng)用法向量項(xiàng)來(lái)代替。基本公式：n增量插值計(jì)算也類似，用法向代替光強(qiáng)1221121441141()()1()()1()()assbsssbbsasabaNNyyNyyyyNNyyNyyyyN

10、NxxNxxxx359.3.3 Phong著色方法（續(xù)）1221121441141()()1()()1()()assbsssbbsasabaNNyyNyyyyNNyyNyyyyNNxxNxxxx369.3.4 插值著色方法存在的問(wèn)題n不光滑的物體輪廓379.3.4 插值著色方法存在的問(wèn)題（續(xù)）n透視變形n方向依賴性389.3.4 插值著色方法存在的問(wèn)題（續(xù)）n公共頂點(diǎn)處顏色不連續(xù)n頂點(diǎn)方向不具有代表性39Phong模型示例_1理想漫反射環(huán)境光+境面反射+=40Phong模型示例_2 41增量式模型示例n牛的三角網(wǎng)格模型n用簡(jiǎn)單光照明模型顯示n用增量式光照明模型顯示429.3.5 產(chǎn)生陰影（1/

11、5）n概念n什么是陰影n光源不能直接照射的區(qū)域n對(duì)光源來(lái)說(shuō)，不可見的面（隱藏面）n考慮陰影的光照明方程elseSRVKNLKIdfSKIIiminisidpiiaai1i0)()()(1個(gè)光源的陰影中處于第439.3.5 產(chǎn)生陰影（2/5）nZ緩沖器算法n步驟449.3.5 產(chǎn)生陰影（3/5）n優(yōu)點(diǎn)n算法簡(jiǎn)單n缺點(diǎn)n每個(gè)光源需要一個(gè)陰影緩沖器459.3.5 產(chǎn)生陰影（4/5）n陰影細(xì)節(jié)多邊形n算法步驟算法步驟1.在景物空間中，利用 裁剪算法求出被光源 直接照射的多邊形或 其一部分2.將這些多邊形作為表 面細(xì)節(jié)貼在物體表面上469.3.5 產(chǎn)生陰影（5/5）n光線跟蹤n從可見點(diǎn)P向光源發(fā)出測(cè)試光

12、線，若該光線在到達(dá)光源之前與其它物體相交，則P點(diǎn)位于陰影區(qū)域中479.3.6 透明n簡(jiǎn)單透明n考慮折射的透明489.3.6 簡(jiǎn)單透明n簡(jiǎn)單透明不考慮折射現(xiàn)象n插值透明2111)1 (IKIKItt499.3.6 簡(jiǎn)單透明（續(xù)）n過(guò)濾透明n透射系數(shù) 越大顏色透射得越多n 不同的顏色系數(shù)不同211ICKIItt1tKtC509.3.6 考慮折射的透明n折射定律折射定律ittisinsin519.3.6 考慮折射的透明（續(xù)）n透射矢量的計(jì)算INTti)coscos(52內(nèi)容提要n真實(shí)感繪制流程n簡(jiǎn)單光照明模型n局部光照明模型n整體光照明模型整體光照明模型n光線跟蹤法53整體光照明模型n現(xiàn)有整體光照明

13、模型兩種方法。n光線跟蹤n輻射度549.4 整體光照明模型n要考慮周圍環(huán)境的光周圍環(huán)境的光對(duì)物體表面的影響。如光亮平滑的物體會(huì)將環(huán)境中其它物體映象在表面上，而透過(guò)透明物體可以看到其后的環(huán)境景象。n更精致的真實(shí)感圖形的繪制還要考慮物體表面考慮物體表面的細(xì)節(jié)紋理的細(xì)節(jié)紋理（紋理映射）559.4 整體光照明模型與光線跟蹤算法n整體光照明模型n光線跟蹤算法的基本原理569.4 整體光照明模型整體光照明模型n物體表面入射光的構(gòu)成（1）光源直接照射（2）其它物體的反射光（3）透射光n局部光照明模型僅考慮了（1）579.4 整體光照明模型（續(xù)）整體光照明模型（續(xù)）n整體光照明方程tttssslICKICKI

14、I589.5 光線跟蹤法n早在1968年Apple A研究隱藏面消除算法時(shí)APPL68，就給出了光線跟蹤算法的描述。n1979年Kay和Greenberg的研究考慮了光的折射KAY79。n1980年Whitted提出了第一個(gè)整體光照Whitted模型WHIT8059光線跟蹤算法的基本原理n自然界中光線的傳播過(guò)程光源光源物體表面物體表面物體表面物體表面人眼人眼n光線跟蹤過(guò)程-光線傳播的逆過(guò)程光線傳播的逆過(guò)程60619.5 光線跟蹤算法的基本原理（續(xù)）光線跟蹤算法的基本原理（續(xù)）n關(guān)鍵關(guān)鍵n光線與物體表面的求交光線與物體表面的求交n陰影測(cè)試線陰影測(cè)試線S S n逢交點(diǎn)考察反射和折射逢交點(diǎn)考察反射和

15、折射n光線跟蹤算法實(shí)際上是光照明物理過(guò)程的近似逆過(guò)光線跟蹤算法實(shí)際上是光照明物理過(guò)程的近似逆過(guò)程，這一過(guò)程可以跟蹤物體間的鏡面反射光線和規(guī)程，這一過(guò)程可以跟蹤物體間的鏡面反射光線和規(guī)則透射，模擬了理想表面的光的傳播。則透射，模擬了理想表面的光的傳播。n雖然在理想情況下，光線可以在物體之間進(jìn)行無(wú)限雖然在理想情況下，光線可以在物體之間進(jìn)行無(wú)限的反射和折射，但是在實(shí)際的算法進(jìn)行過(guò)程中，我的反射和折射，但是在實(shí)際的算法進(jìn)行過(guò)程中，我們不可能進(jìn)行無(wú)窮的光線跟蹤，因而需要給出一些們不可能進(jìn)行無(wú)窮的光線跟蹤，因而需要給出一些跟蹤的終止條件。跟蹤的終止條件。62n終止條件：終止條件： l該光線未碰到任何物體l

16、該光線碰到了背景 l光線在經(jīng)過(guò)許多次反射和折射以后，就會(huì)產(chǎn)生衰減，光線對(duì)于視點(diǎn)的光強(qiáng)貢獻(xiàn)很小（小于某個(gè)設(shè)定值）。 l光線反射或折射次數(shù)即跟蹤深度大于一定值。9.5 光線跟蹤算法的基本原理（續(xù)）光線跟蹤算法的基本原理（續(xù)）63n從視點(diǎn)出發(fā)，對(duì)于視屏上的每一個(gè)象素點(diǎn)，從視點(diǎn)作一條到該象素點(diǎn)的射線，調(diào)用該算法函數(shù)就可以確定這個(gè)象素點(diǎn)的顏色。9.5 光線跟蹤算法的基本原理（續(xù)）光線跟蹤算法的基本原理（續(xù)）649.5 光線跟蹤算法偽碼RayTracingRayTracing(start(start, direction, weight, color), direction, weight, color)

17、 if ( weight MinWeight if ( weight MinWeight ) ) color = black; color = black; else else 計(jì)算光線與所有物體的交點(diǎn)中離計(jì)算光線與所有物體的交點(diǎn)中離startstart最近的點(diǎn)；最近的點(diǎn)； if ( if ( 沒有交點(diǎn)沒有交點(diǎn) ) ) color = black; color = black; else else Ilocal Ilocal = = 在交點(diǎn)處用局部光照模型計(jì)算出的光強(qiáng)；在交點(diǎn)處用局部光照模型計(jì)算出的光強(qiáng)； 計(jì)算反射方向計(jì)算反射方向 R R； RayTracing RayTracing( (最近

18、的交點(diǎn)最近的交點(diǎn), R, weight, R, weight* *Wr, IrWr, Ir);); 計(jì)算折射方向計(jì)算折射方向 T T； RayTracing RayTracing( (最近的交點(diǎn)最近的交點(diǎn), T, weight, T, weight* *Wt, It);Wt, It); color = Ilocal + KsIr+ KtIt color = Ilocal + KsIr+ KtIt; ; 659.5 光線跟蹤算法的加速n基本的光線跟蹤算法，每一條射線都要和所有的物體求交，然后再對(duì)所得的全部交點(diǎn)進(jìn)行排序，才能確定可見點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境的場(chǎng)景，這種簡(jiǎn)單處理地效率就很低了，這里就需要對(duì)光線跟蹤算法進(jìn)行加速。n光線跟蹤加速技術(shù)光線跟蹤加速技術(shù)是實(shí)現(xiàn)光線跟蹤算法的重要組成部分。加速技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：提高求交速度、減少求交次數(shù)、減少光線條數(shù)、采用廣義光線和采用并行算法等。66n自適應(yīng)深度控制n包圍盒及層次結(jié)構(gòu) 其基本原理是根據(jù)景物的分布情況，將相距較近的景物組成一組局部場(chǎng)景，相鄰各組又組成更大的組，這樣，將整個(gè)景物空間組織成樹狀的層次結(jié)構(gòu)。n三維DDA算法n1. 先求出被跟蹤光線的主軸方向dn2. 三維DDA網(wǎng)格跨越過(guò)程，可分解為兩個(gè)二維D