計算機圖形學十一-真實感圖形生成技術（精品）

1、概述一、真實感圖形定義 真實感圖形的顯示是使用計算機產生同照片同樣的黑白圖像或彩色圖像。 計算機圖形學研究目的最終是用計算機生成圖形，具有真實感使物體和自然界中物體 相似，包括顏色、紋理、明暗等。第十一章 真實感圖形生成技術1二、真實感圖形應用1、產品外形設計2、飛行駕駛模擬訓練3、動畫制作、城市規(guī)劃、醫(yī)學氣象等三、真實感圖形特點1、反映物體外表顏色和亮度2、表現(xiàn)物體質感3、能通過光照下物體的陰影， 改善場景的深度感和層次感4、能模擬透明物體的透明效果和鏡面物體的鏡像 效果 2四、影響真實感圖形因素1、物體本身形狀2、物體外表特征：材質、感光度，紋理等3、照射物體光源4、物體與光源相對位置5、

2、物體周圍環(huán)境3簡單光照模型 一個物體外表為什么會出現(xiàn)明暗、顏色等，主要由于物體發(fā)光到達人眼的結果。 光照在物體外表上有三種情況：1、反射光：光通過物體外表被反射；2、透視光：對于透明物體光穿過該物體而從另端射出；3、光被物體吸收而變成熱。 我們視覺效果是反射光和透視光。4下面討論不包含透射光的簡單光照模型。假設物體不透明，那么物體外表呈現(xiàn)的顏色僅由其反射光決定，通常人們把反射光考慮成三個分量的組合，這三個分量分別是： 環(huán)境反射漫反射鏡面反射5環(huán)境反射光 環(huán)境反射光是由于鄰近物體所造成的光屢次反射所產生的，其光亮度可表示為： Ie=IaKa式中 Ie-物體對環(huán)境光反射亮度； Ia-環(huán)境光亮度；

3、Ka-物體外表對環(huán)境光反射系數(shù)0Kal。6漫反射光 漫反射光是由特定光源在物體外表反射光中那些向空間各方向均勻反射出去的光。設物體表面在P點法線為N，從P點指向光源的向量為L，兩者夾角為。于是，點P處漫反射光的強度為： Id =Ip kd cos式中 Id 外表漫反射光的亮度； Ip 入射光的光亮度； kd漫射系數(shù) 0Kd l； 入射光線與法線間夾角，0/2。當物體外表垂直于入射光方向時N、L方向一致看上去最亮。當越來越大，接近900時，那么看上去越來越暗。7鏡面反射光 上面討論漫反射是一個粗糙無光澤外表，如粉筆。如果一個點光源照射到一個拋光的金屬球時，在球上形成一塊特別亮的區(qū)域，呈現(xiàn)所謂“高

4、光。它是光源在金屬球面上產生的鏡面反射光。 對于一個理想的鏡面，入射到外表上的光嚴格地遵守光的反射定律朝一個方向鏡面反射方向反射出去；對于一般光滑外表，由于外表具有一定粗糙度，其外表實際上是由許多朝向不同微小外表組成，其鏡面反射光散布在反射方向周圍 。 8BTPhong1975年提出來用余弦函數(shù)的冪次來模擬鏡面反射光的空間分布，可表示為： IsIpKs cosnIs 觀察者接收到鏡面反射光亮度；Ip 入射光的亮度； 鏡面反射方向和視線方向的夾角； n 鏡面反射光的會聚系數(shù) 與物體外表光滑度有關一般取12000；Ks鏡面反射系統(tǒng)與材料性質和入射光波長有關。外表越光滑，其鏡面反射光會聚程度較高，n

5、值較大。與漫反射不同，鏡面反射光與物體顏色無關。9Phong光照模型綜上所述，從視點觀察到物體外表上任一點亮度I應為環(huán)境光、漫反射光、鏡面反射光的總和，即： IIeIdIs 即： IIe KaIp (Kd cosK s cosn)當光源不只一個，而是有m個光源，則上式可寫為： 這就是簡單光照模型。10令L為入射光方向單位矢量，N為外表法線單位矢量，R為反射光方向單位矢量，V為視線方向單位矢量，如圖，那么余弦函數(shù)可用矢量點積來表示，即 (LN) =cos (RV)=cos 即 IIa KaIp Kd (LN)K s (RV) n對于彩色顯示，可把光源分成紅、綠、藍(RGB三基色光，對每一基色分別

6、用相應算式來計算，即 Ir Ia Kar Ip Kdr (LN)Ks (RV) n Ig Ia KagIp Kdg(LN)Ks (RV) n Ib Ia KabIp Kdb (LN)Ks (RV) n上式中鏡面反射光一項對三個式子都是一樣。11概述 明暗處理就是使物體外表光強度強弱表現(xiàn)。 上一節(jié)介紹了簡單照明模型，只要知道物體外表某一點的法線就可以算出該點反射光強度。 對于外表是彎曲的形體，計算出曲面每一點法線，然后再按照模型來計算每一點明暗程度，計算工作量太大。明暗處理方法 因此，用平面多面體來逼近彎曲外表形體。對于平面多邊形來說，由于它的每個外表都是平面，而在同一平面上，任一點法線都是一樣

7、，因此，只要用一個固定的強度值來表示面上所有點即整個面的明暗程度就可以了，這樣使得計算工作大為簡化。12概述 為了不使光強度急劇變化，我們用下面兩種方法。明暗處理方法1、哥羅德Gouraud強度插值法 2、馮Phong法向插值法13哥羅德Gouraud強度插值法 1、計算多邊形每個頂點法向量 求出與該頂點相鄰的多面體各面的法向平均值，作為該頂點法向。如圖P點法向量為： Np=(N1+N2+N3)/3 其中N1、N2、N3分別是以 P為公共頂點的三個面的外法向；Np是 P點外法向。2、計算各個頂點的光亮度I1，I2，Im 14哥羅德Gouraud強度插值法 3、用插值方法計算出多邊形上任一點的光

8、強度，如圖：4、用掃描線方法沿水平方向插值來計算出多邊形內部各點的光亮度值，例如點R的光亮度可以用下式計算：15 利用哥羅德法思路簡明，計算方便，但對于鏡面反射處理不理想，我們可用下面方法處理。馮Phong法向插值法 我們上面介紹方法是以光強度進行插值,但對于鏡面反射光亮度往往不理想,而Phong法是以法向進行插值，其原理和上面一樣，所不同的是在上面插值公式中用N代替I即可，N是一個矢量，I是標量，所以法向插值計算量大一些，但產生效果好，比較真實，能顯示出鏡面特亮區(qū)域。16陰影生成方法概述1、定義：陰影是指景物中沒有被光源直接照射的暗區(qū)。 在場景中陰影顯示出來，可增強圖形立體感，使得計算機生成

9、畫面更具有真實感。2、陰影分類1自身陰影2投射陰影17投射陰影又分為：本影和半影1、本影 物體影子中間全黑的輪廓清楚局部是本影。本影是沒有被光源照射局部。2、半影 本影周圍半明半暗局部是半影，半影是一局部被光源照射，一局部未被光源照射。本影計算復雜，一般只考慮半影計算。18本影和半影19自身陰影生成方法 生成過程如下： l首先將視點置于光源位置，以光線照射方向作為觀察方向，對在光照模型下的物體實施消隱算法，判別出在光照模型下的物體的“隱藏面并在數(shù)據(jù)文件中加以標識；2然后按實際的視點位置和觀察方向，對物體實施消隱算法，生成真正消隱后的立體圖形；3檢索數(shù)據(jù)文件，核查消隱后生成的圖形中，是否包含有在

10、光照模型下的“隱藏面。如有，那么加以陰影符號標識這些面。20投射陰影生成方法1、影域多面體方法2、Z緩沖器方法3、光線跟蹤法21投射陰影生成方法1、影域多面體方法 根本思想：先求出景物空間中光線被該物體輪廓多邊形所遮擋的區(qū)域，即影域多面體。然后 再判斷其后物體是否在該影域內，假設在影域內為陰影。這個算法與掃描線算法相結合就容易實現(xiàn)。 22投射陰影生成方法2、Z緩沖器方法 由于陰影是光線照射不到面觀察者卻可見到的區(qū)域，換句話說，陰影是相對于光源不可見而觀察點卻可見到的區(qū)域。所以在畫面中生成陰影的過程根本上相當于二次消隱，一次是對光源消隱，另一次是對視點消隱，Z緩沖器算法就是基于這個原理。 該法的

11、優(yōu)點：能處理任意復雜的景物，可以較方便地在光滑曲面上生成陰影，且計算量小，程序簡單；缺點：陰影緩沖器的存儲消耗較大。 23射陰影生成方法3、光線跟蹤法 要判斷某點是否在陰影內，從該點的光源發(fā)一條射線，假設與物體不相交，那么說明不在陰影內，假設與物體相交，說明在陰影內。這種方法比較易于實現(xiàn)，且可以生成十分真實的陰影，但計算工作量較大。24整體光照模型和光線跟蹤算法 前面介紹了簡單光照模型，所考慮條件是對于不透明物體，假設是透明物體，簡單光照模型公式就不適合了。 我們先考慮透明性物體簡單模型。透明性簡單模型條件：1、透明體不應折射 2、無漫透視，光通過透明體時不產生模糊變形25整體光照模型和光線跟

12、蹤算法透明性簡單模型如圖，A是透明體，Pt是視線穿過透明體與背后物體B的交點。此時由P點光到達觀察者光強度為： IltIc十tIt 0t1 Ic為 P點光亮度，t為透明系數(shù)，t0時對應不透明面t1為透明面，Ic和It可用前面介紹的Phong模型計算。這種方法無法模擬光通過透明介質時產生折射現(xiàn)象，須用下面介紹的整體光照明模型。26整體光照模型 景物外表某點P向觀察點輻射的光亮度由三局部組成，依下式求出。 II1十Is Ks It Kt式中， I1光源直接照射引起的反射光亮度， 按照 Phong模型來計算 Is在鏡面反射方向上其它物體向點P軸射的光亮度； It在折射方向上其它物體向點P輻射的光亮度

13、； Ks景物外表的反射系數(shù)； Kt景物的透射系數(shù)。 Is、It確實定要求助于光線跟蹤算法。 27光線跟蹤算法如何求象素點P亮度，由三局部組成：1、光源直接照射及環(huán)境光所產生局部光亮度。2、反射方向來的光對 A的作用。3、透射方向來的光對A點的作用。 28A點光強度為： IAI1AIsAKsAItAKtA 為了求IsA和ItA ，必須求IB和IC： IB I1BIsBKsBItBKtB IC I1CIsCKsCItCKtCIsC 可由連續(xù)跟蹤內反射光線6求得，ItC背景光。最后，用 IsA IB；ItCIC代入求 A點光強度公式，即可求得A點光強度。29跟蹤光線結束條件 光線與光源相交 光線與背

14、景相交 被跟蹤的光線對著交點處光強度作用趨近于0 30 紋理處理方法概述紋理：物體外表的細節(jié)，分顏色紋理和幾何紋理。顏色紋理：指光滑外表上附加花紋和圖案 ；幾何紋理：景物外表微觀上呈現(xiàn)的起伏不平；顏色紋理用紋理映射來處理，幾何紋理用擾動函數(shù)來描述。31紋理映射紋理映射將平面圖案景物外表圖案屏幕空間如圖，實際上是坐標間轉換。設花紋在u，w坐標系中，景物外表在，中，即：fu，w， gu，w 或相反 ur， w s，一般映射函數(shù)為線性函數(shù)，即 Au十B CwD式中A，B，C，D可由兩個坐標系中點之間關系獲得 32紋理映射a b c將a中所示圖案映射到圖b中所示球面片上，球面片位于第一卦限內，圖案是由

15、相交直線組成的簡單二維網格，球面片的參數(shù)表示為： xsin sin 0/2 y=cos /4/2 z=cos sin取線性映射函數(shù)， Au十B，CwD33假定四邊形圖案的四角映射到四邊形曲面片四角片，即u0，w0，在0，/2u1，w0，在/2，/2u0，w1，在0，/4u1，w1，在/2，/4可解得 A/2，B0， C一/4， D/2故由uw空間在空間的線性映射函數(shù)為： u/2，/2 w/4 由空間至uw空間的逆映射為： u/ (/2 ) w=/2 / (/4) 34將uw空間中的一條直線映射到空間，然后換算到XYZ坐標系，運算結果如表71所示，完整的結果如c所示。 空間直線換算表 u wxy

16、z1/40/8/20.38300.924 1/4 7/160.3750.1950.906 1/23/80.3530.3830.853 3/45/160.3180.5560.7681/40.2710.7070.65335擾動映射擾動：就是在外表每一點上沿其外表法向方向附加一個新的向量，這一向量比較小，不影響原外表的大致形狀，但對其外表該點處的法向產生較大擾動作用，結果使曲面變得非常粗糙，通過恰中選擇擾動函數(shù)，可使生成圖形具有不同的皺折紋理效果。 36圖形顏色和顏色模型 一個真實感圖形離不開顏色，所以說真實感圖形與顏色有密切關系，但對于顏色認識本質直到現(xiàn)在還不十分清楚，它涉及到物理學、化學、心理學

17、及生理學。顏色的性質1、顏色本質 顏色與物體本身、光源、周圍環(huán)境及觀察者視覺有關系。人們之所以能見到物體，是因為物體本身發(fā)出光，另外亦能見到其它的一些物體，這是因為它們能反射光。一張白紙看起來為白色，就因為它在白光照射下，把所有顏色都反射掉了，什么光也沒有被吸收。如果用藍色燈光照射白紙，這紙看起來呈藍色。372、顏色的幾個術語1在心理生物學上a、色彩：顏色的“色彩b、色飽和度：顏色的純度。即單色光中摻入白光度量。c、明度亮度：光強度2在心理物理學上a、主波長：觀察光線所見顏色光的波長，對應于色彩b、色純度：光的色飽和度c、亮度：顏色光強度3顏色三刺激理論 三刺激理論基于這樣一個假設：人類眼睛的視網膜中有三種錐狀視覺細胞，分別對紅、綠、藍三種光最敏感。 彩色圖形顯示器CRT上每個像素都是由紅、綠、藍三種熒光點組成。這是以人類視覺顏色感知的三刺激理論為根底設計的。38CIE色度圖1、引言 彩色CRT用紅、綠、藍三種基色來表示，即RGB加色