CG-6 真實感圖形設計

主要內容6.1概述6.2顏色的基本知識6.3光的基本知識6.4明暗處理第6章真實感圖形設計1決定物體外觀的因素物體的幾何形狀物體表面特性材料的粗糙度、表面顏色等；外部光源亮度、顏色、類型；觀察者的視點物體周圍環(huán)境6.1概述2一、顏色顏色是外來光作用于人的視覺器官而產生的主觀感覺光是人的視覺系統(tǒng)能夠感知到的電磁波；波長在400nm到700nm之間；6.2顏色的基本知識3光是人的視覺系統(tǒng)能夠感知到的電磁波；波長在400nm到700nm之間；6.2顏色的基本知識4單色光：一束光只包含一種波長的能量，而其它波長都為零彩色光：其中各波長的能量分布不均勻6.2顏色的基本知識5白光：一束光的各種波長的能量大致相等6.2顏色的基本知識6二、三色學說任何一種顏色可以用紅、綠、藍三原色按照不同比例混合來得到根據(jù)這個學說，提出RGB顏色模型以及其他的CG顏色模型用這種原色的混合匹配能產生光譜中的每一種顏色，其匹配過程可表示為：C=rR+gG+Bb6.2顏色的基本知識7三、顏色模型是指某個三維顏色空間中的一個可見光子集，它包含某個顏色域的所有顏色面向硬件的顏色模型RGB模型、CMY模型面向用戶的顏色模型HSV模型顏色模型的用途是在某個顏色域內方便的指定顏色6.2顏色的基本知識8(1)RGB模型Red（紅）、Green（綠）、Blue(籃)應用：彩色CRT加色模型6.2顏色的基本知識9RGB色彩模式

該模式按加法原理，用紅(Red)、藍(Blue)、綠(Green)三種基本色配制其它色彩。R、G、B可分別在0～255之間取值。R=255R=0R=0R=255R=255R=0R=0R=255G=0G=255G=0G=255G=0G=255G=0G=255B=0B=0B=255B=0B=255B=255B=0G=2556.2顏色的基本知識10(2)CMY模型Cyan（青）、Magenta（品紅）、Yellow（黃）應用：繪圖儀、印刷機、打印機等硬拷貝設備減色模型6.2顏色的基本知識11CMYK色彩模式青(Cyan)品紅(Magenta)黃(Yellow)黑(black)采用四種基本色配制其它色彩C、Y、M、K的取值可從0％～100％6.2顏色的基本知識126.3光的基本知識光的基本知識光源特性光源分類光的反射和傳播簡單光照模型13一、光源特性光的色彩光的色彩一般用紅、綠、藍三種色光的組合成分來描述光的強度光的強弱由R、G、B三色光的強弱而決定3D空間中一點的總光強I為：I=0.30Ir+0.59Ig+0.11Ib6.3光的基本知識14二、光源分類點光源（PointLightSource）點光源所發(fā)射的光線，是從一點向各方向發(fā)射的6.3光的基本知識15分布式光源（DistributedLightSource）分布式光源所發(fā)射的光線，是從一個面向一個方向發(fā)射的平行光線6.3光的基本知識16漫射光源（AmbientLightSource）漫射光源所發(fā)射的光線，是從一個面上的每一點向各個方向發(fā)射的光線6.3光的基本知識17三、光的反射和傳播漫反射漫反射光均勻向各方向傳播，空間分布均勻，與視點無關

光照模型：入射光強度物體表面漫反射系數(shù)入射角6.3光的基本知識18鏡面反射對于理想鏡面鏡面反射光集中在一個方向，并遵守反射定律對一般的光滑表面反射光集中在一個范圍內，且由反射定律決定的反射方向光強最大；對于同一點來說，從不同位置所觀察到的鏡面反射光強是不同的6.3光的基本知識19鏡面反射光照模型：

其中：Ip為入射光強度；

Ks為反射率系數(shù)，是入射角θ和光波長λ的函數(shù)；

α為觀察角；6.3光的基本知識206.3光的基本知識n為鏡面反射指數(shù)，n的取值與表面粗糙程度有關n越大，表面越平滑（散射現(xiàn)象少，稍一偏離，明暗亮度急劇下降）n越小，表面越毛糙（散射現(xiàn)象嚴重）216.3光的基本知識高光現(xiàn)象入射光在光滑物體（如金屬或塑料）表面形成的特別亮的區(qū)域22環(huán)境光環(huán)境光是指光源間接對物體的影響，是在物體和環(huán)境之間多次反射，最終達到平衡時的一種光光照模型：

Ia為環(huán)境光在整個場景中的入射強度

Ka為環(huán)境光對該物體表面的反射系數(shù)（0≤ka≤1）6.3光的基本知識23四、簡單光照模型光照射到物體表面，主要發(fā)生：反射、透射（對透明物體）、吸收（轉變?yōu)闊崮埽┓瓷涔狻⑼干涔鉀Q定了物體所呈現(xiàn)的顏色物體表面上一點P反射到視點的光強I包括：環(huán)境光的反射光強Ie漫反射光強Id鏡面反射光強Is

6.3光的基本知識24簡單光照模型的特點顯示出的物體象塑料，沒有質感；環(huán)境光是常量，沒有考慮物體之間相互的反射光；鏡面反射的顏色是光源的顏色，與物體的材料無關；鏡面反射的計算在入射角很大時會產生失真。6.3光的基本知識256.4明暗處理明暗處理均勻著色光滑著色哥羅德（Gouraud）光強度插值法馮（Phong）法向插值法266.4明暗處理一、均勻著色法向量的計算計算物體表面上各點處的光強關鍵是求出該點處的法向量均勻著色原理假設物體由平面多邊形圍成，每個平面多邊形上的點共有一個法向量如果光源到達物體的距離遠遠大于物體的尺寸，則可認為光源到達物體表面的距離為定值物體表面每一個平面的光強為一常數(shù)27均勻著色方法1、任取多邊形上一點，利用光照模型計算出它的顏色2、用這個顏色填充整個多邊形6.4明暗處理28均勻著色適用場景：1）光源在無窮遠處；2）視點在無窮遠處；3）物體由平面多邊形圍成。6.4明暗處理29均勻著色的優(yōu)點每個多邊形只需計算一次光照明方程，速度快均勻著色的缺點相鄰多邊形顏色過渡不光滑6.4明暗處理306.4明暗處理二、光滑著色對于表面包含曲面的物體，需要求曲面上每一點的法向量，計算量很大可采用平面多邊形來逼近曲面如果用來逼近曲面的平面被劃分的很細，可以得到比較理想到真實感圖形。否則，容易出現(xiàn)馬赫帶效應，圖形的真實感降低為避免上述問題，通常采用Gouraud的光強度插值法和Phong的法向插值法311、Gouraud光強度插值著色方法通過對多邊形頂點光強度進行線性插值來獲得其內部各點顏色6.4明暗處理326.4明暗處理Gouraud算法過程將曲面近似分割成若干個小平面；計算小平面相交頂點上的平均單位法向量；根據(jù)光照模型計算各個頂點的光強度；插值計算相交邊上各點的光強度；插值計算小平面中各點的光強度。33Gouraud明暗處理用于完全漫反射表面時效果較理想，消除馬赫帶效應也較好；在明暗處理時，物體表面上出現(xiàn)過亮或過暗的條紋，稱為馬赫帶（Mach_band）效應在處理鏡面反射時，會使鏡面上的高光亮區(qū)域的形狀和位置發(fā)生變化，甚至模糊不清；同時，也不能有效消除馬赫帶效應6.4明暗處理342、Phong法向插值著色方法6.4明暗處理35P處法矢量的計算可分為兩步：根據(jù)A,B處的法矢量作線性插值求處Q處法矢量；根據(jù)B,C處的法矢量作線性插值求出R處法矢量；對Q,R處法矢量作線性插值，求出P處的表面法矢量36Phong算法過程把曲面近似的分成若干個小平面；計算各個小平面相交頂點上的平均法矢量；計算兩平面相鄰邊上各點法矢量；計算各小平面中各點法矢量；根據(jù)光照模型，計算所有點的光強度；6.4明暗處理37

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SIGGRAPH是計算機圖形圖像專業(yè)組織，成立于1967年，它是ACM的37個SIGs專業(yè)組織之一以推廣和發(fā)展電腦繪畫及動畫制作軟硬為宗旨，并大力提倡科技與藝術的結合，強調計算機的媒體特性自1974年以來，SIGGRAPH定期舉辦每年一次的年會。1