計算機圖形學(xué)真實感圖形繪制

計算機圖形學(xué)真實感圖形繪制第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日光照模型(IlluminationModel):計算某一點的光強度的模型第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日真實感圖形的特點能反映物體表面顏色和亮度的細微變化能表現(xiàn)物體表面的質(zhì)感能通過光照下的物體陰影，極大地改善場景的深度感和層次感，充分體現(xiàn)物體間的相互遮擋關(guān)系能模擬透明物體的透明效果和鏡面物體的鏡面效果第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日影響觀察者看到的表面顏色的因素①物體的幾何形狀②光源位置、距離、顏色、數(shù)量、強度、種類③環(huán)境遮擋關(guān)系、光的反射與折射、陰影④視點位置⑤物性材料、顏色、透明度折射性⑥表面光潔度第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日光源①幾何性質(zhì)點光源線光源面光源

②光譜組成白色光彩色光單色光第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日相關(guān)物理知識光的傳播反射定律：入射角等于反射角，而且反射光線、入射光線與法向量在同一平面上第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日折射定律折射定律：折射線在入射線與法線構(gòu)成的平面上，折射角與入射角滿足第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日能量關(guān)系在光的反射和折射現(xiàn)象中的能量分布：下標(biāo)為i,d,s,t,v的能量項分別表示為入射光強，漫反射光強，鏡面反射光強，透射光強，吸收光強能量是守恒的第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型模擬物體表面的光照明物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型－光照明模型簡單光照明模型亦稱局部光照明模型，其假定物體是不透明的，只考慮光源的直接照射，而將光在物體之間的傳播效果籠統(tǒng)地模擬為環(huán)境光?？梢蕴幚砦矬w之間光照的相互作用的模型稱為整體光照明模型第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型光照射到物體表面，主要發(fā)生： 反射 透射（對透明物體） 部分被吸收成熱能

反射光，透射光決定了物體所呈現(xiàn)的顏色

第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-環(huán)境光

假定物體是不透明的（即無透射光）環(huán)境光：在空間中近似均勻分布，即在任何位置、任何方向上強度一樣,記為Ia環(huán)境光反射系數(shù)Ka：在分布均勻的環(huán)境光照射下，不同物體表面所呈現(xiàn)的亮度未必相同，因為它們的環(huán)境光反射系數(shù)不同。光照明方程（僅含環(huán)境光）：

Ie=KaIa Ie為物體表面所呈現(xiàn)的亮度。第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-環(huán)境光例子具有不同環(huán)境光反射系數(shù)的兩個球第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-環(huán)境光缺點：雖然不同的物體具有不同的亮度，但是同一物體的表面的亮度是一個恒定的值，沒有明暗的自然過度。第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型考慮引入點光源。點光源：幾何形狀為一個點，位于空間中的某個位置，向周圍所有的方向上輻射等強度的光。記其亮度為Ip點光源的照射：在物體的不同部分其亮度也不同，亮度的大小依賴于物體的朝向及它與點光源之間的距離.第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型：-漫反射漫反射粗糙、無光澤物體（如粉筆）表面對光的反射光照明方程漫反射的亮度點光源的亮度漫反射系數(shù)入射角漫反射光的強度只與入射角有關(guān)第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-漫反射將環(huán)境光與漫反射結(jié)合起來例子第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-漫反射缺點：對于許多物體，使用上式計算其反射光是可行的，但對于大多數(shù)的物體，如擦亮的金屬、光滑的塑料等是不適用的，原因是這些物體還會產(chǎn)生鏡面發(fā)射。第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-鏡面反射鏡面反射光滑物體（如金屬或塑料）表面對光的反射高光入射光在光滑物體表面形成的特別亮的區(qū)域第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-鏡面反射理想鏡面反射觀察者只能在反射方向上才能看到反射光，偏離了該方向則看不到任何光。第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-鏡面反射非理想鏡面反射P為物體表面上一點，L為從P指向光源的單位矢量，N為單位法矢量，R為反射單位矢量，V為從P指向視點的單位矢量

光滑平面I=IpKscosna鏡面第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-鏡面反射鏡面反射Is為鏡面反射光強。點光源的亮度Ks是與物體有關(guān)的鏡面反射系數(shù)。n為鏡面反射指數(shù)，n越大，則Is隨a的增大衰減的越快。

n的取值與表面粗糙程度有關(guān)。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）第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-Phong光照明模型簡單光照明模型模擬物體表面對光的反射作用,光源為點光源反射作用分為物體間作用用環(huán)境光(AmbientLight)漫反射(DiffuseReflection)鏡面反射(SpecularReflection)第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-Phong光照明模型Phong光照明模型的綜合表述：由物體表面上一點P反射到視點的光強I為環(huán)境光的反射光強Ie、理想漫反射光強Id、和鏡面反射光Is的總和。第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-光的衰減光的衰減兩個階段：1）從光源到物體表面的過程中的衰減2）從物體表面到人眼過程中的衰減總的效果：物體表面的亮度降低光照明方程

1）有效衰減函數(shù)的加入

2）深度暗示技術(shù)的加入第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-光的衰減光的衰減光在光源到物體表面過程中的衰減光強按1/d2進行衰減：缺點：當(dāng)d很大時，變化很??；當(dāng)d很小時，變化很大。衰減函數(shù)光照明方程第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-彩色場景的產(chǎn)生產(chǎn)生彩色選擇合適的顏色模型----RGB模型為顏色模型中的每一種基色建立光照明方程第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單光照明模型-多個光源例子：其中a圖：線框圖b圖：環(huán)境光c圖：增加漫反射d圖：增加鏡面反射e圖：增加光的衰減f圖：兩個點光源第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日Phong光照明模型的不足Phong光照明模型是真實感圖形學(xué)中提出的第一個有影響的光照明模型經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，Phong模型存在不足：顯示出的物體象塑料，無質(zhì)感變化沒有考慮物體間相互反射光鏡面反射顏色與材質(zhì)無關(guān)鏡面反射大入射角失真現(xiàn)象第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日多邊形繪制方法分類：均勻著色與光滑著色均勻著色方法：任取多邊形上一點，利用光照明方程計算出它的顏色，用這個顏色填充整個多邊形適用場合：1）光源在無窮遠處；

2）視點在無窮遠處；

3）多邊形是物體表面的精確表示；第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日多邊形繪制方法缺點：產(chǎn)生的圖形效果不好。相鄰兩個多邊形的法向不同，計算出來的顏色也不同，因此造成整個物體表面的顏色過渡不光滑。如何解決？光滑著色，亦稱插值著色

Gouraud著色方法

Phong著色方法第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日Gouraud著色方法Gouraud于1971年提出，又被稱Gouraud明暗處理基本思想：在每個多邊形頂點處計算顏色，然后在各個多邊形內(nèi)部進行線性插值，得到多邊形內(nèi)部各點顏色。即它是一種顏色插值著色方法。注意：Gouraud著色方法并不是孤立的處理單個多邊形，而是將構(gòu)成一個物體表面的所有多邊形（多邊形網(wǎng)格）作為一個整體來處理。第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日Gourand著色方法對多邊形網(wǎng)格中的每一個多邊形，Gourand著色處理分為如下四個步驟：步驟

1、計算多邊形的單位法矢量

2、計算多邊形頂點的單位法矢量

第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日與某個頂點相鄰的所有多邊形的法向平均值近似作為該頂點的近似法向量計算出的平均法向一般與該多邊形物體近似曲面的切平面比較接近Gouraud著色方法-頂點法向計算第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日Gourand著色方法

3、利用光照明方程計算頂點光強（顏色）

4、對多邊形頂點光強（顏色）進行雙線性插值，獲得多邊形內(nèi)部各點的光強（顏色）第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日Gourand著色方法-光強插值雙線性光強插值：假設(shè)待繪制的三角形投影為P1P2P3,Pi的坐標(biāo)為(xi,yi),i=1,2,3；一條掃描線與三角形的兩條邊分別交于A(xA,yA),B(xB,yB)兩點。P(x,y)是AB上的一點。A點的顏色IA由P1、P2點的顏色I1、I2線性插值得到第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日Gourand著色方法優(yōu)點：能有效的顯示漫反射曲面，計算量小缺點：1、高光有時會異常(未考慮鏡面反射）2、當(dāng)對曲面采用不同的多邊形進行分割時會產(chǎn)生不同的效果。3、Gouraud明暗處理會造成表面上出現(xiàn)過亮或過暗的條紋，稱為馬赫帶（Mach_band）效應(yīng)改進－Phong提出雙線性法向插值，以時間為代價，解決高光問題第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日Phong著色方法基本思想：通過對多邊形頂點的法矢量進行插值，獲得其內(nèi)部各點的法矢量，又稱為法向插值著色方法。步驟

1、計算多邊形單位法矢量

2、計算多邊形頂點單位法矢量

3、對多邊形頂點法矢量進行雙線性插值，獲得內(nèi)部各點的法矢量

4、利用光照明方程計算多邊形內(nèi)部各點顏色第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日Phong著色方法-法向插值NA由N1、N2線性插值得到：第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日Phong著色方法優(yōu)點：

Phong著色方法繪制的圖形比Gouraud方法更真實，能產(chǎn)生正確的高光區(qū)域缺點：

1、Phong著色方法計算量遠大于Gouraud著色方法

2、在處理某些多邊形分割的曲面時，Phong算法還不如Gouraud算法好。

第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日Gouraudv.s.Phong第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日透明現(xiàn)實世界中有許多透明物體，如玻璃等。透過透明物體，可以觀察到其后面的景物。如何模擬這種透明效果呢？第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日簡單透明-插值透明假設(shè)：多邊形1是透明的，它位于觀察者與不透明的多邊形2之間。像素的顏色Il由A、B兩點的顏色Il1和Il2插值產(chǎn)生，即其中Kt1是多邊形1的透射系數(shù)。Kt1范圍（0，1）Kt1=0表示多邊形完全不透明，所以Il

=Il1Kt1=1表示多邊形完全透明，所以Il

=Il2第四十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日整體光照明模型

簡單光照模型（亦稱局部光照模型）不考慮周圍環(huán)境對當(dāng)前景物表面的光照明影響，忽略了光在環(huán)境景物之間的傳遞，很難表現(xiàn)自然界復(fù)雜場景的高質(zhì)量真實感圖形。為了增加圖形的真實感，必須考慮環(huán)境的漫射、鏡面反射和規(guī)則投射對景物表面產(chǎn)生的整體照明效果。

第四十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日整體光照明模型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）透射光局部光照明模型僅考慮了（1）第四十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日整體光照明模型例如：從視點觀察到的物體A表面的亮度來源于三方面的貢獻：（1）光源直接照射到A的表面，然后被反射到人眼中的光產(chǎn)生的。（2）光源或其它物體的光經(jīng)A物體折射到人眼中的光產(chǎn)生