真實感圖形學(xué)

關(guān)于真實感圖形學(xué)2第2頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3第3頁,共64頁，2024年2月25日，星期天4內(nèi)容顏色視覺 簡單光照明模型局部光照明模型 光透射模型紋理及紋理映射 整體光照明模型實時真實感圖形學(xué)技術(shù)第4頁,共64頁，2024年2月25日，星期天54．1 顏色視覺分析以下的基本現(xiàn)象：為什么計算R、G、B三個分量就可以使人有顏色的視覺感覺？第5頁,共64頁，2024年2月25日，星期天6基本概念顏色是外來的光刺激作用于人的視覺器官而產(chǎn)生的主觀感覺，影響的因素有：物體本身光源周圍環(huán)境觀察者的視覺系統(tǒng)第6頁,共64頁，2024年2月25日，星期天7顏色的特性顏色的三個視覺特性(心理學(xué)度量）色調(diào)(Hue)一種顏色區(qū)別于其他顏色的因素，如：紅、綠、藍飽和度(Saturation)顏色的純度亮度(Lightness) 光給人的刺激的強度第7頁,共64頁，2024年2月25日，星期天8對應(yīng)的顏色物理特性主波長（DominantWavelength)

產(chǎn)生顏色光的波長，對應(yīng)于視覺感知的色調(diào)純度(Purity)

對應(yīng)于飽和度明度(Luminance)

對應(yīng)于光的亮度第8頁,共64頁，2024年2月25日，星期天9顏色紡錘體顏色三特性的空間表示垂直軸線表示白黑亮度變化水平圓周上的不同角度點 代表了不同色調(diào)的顏色從圓心向圓周過渡表示 同一色調(diào)下飽和度的提高

平面圓形上的色調(diào)和飽和度不同，而亮度相同第9頁,共64頁，2024年2月25日，星期天10光的物理知識光是人的視覺系統(tǒng)能夠感知到的電磁波波長在400nm到700nm之間(1nm=10-9m)光可以由它的光譜能量分布來表示各種波長的能量 大致相等， 為白光第10頁,共64頁，2024年2月25日，星期天11各波長的能量 分布不均勻， 為彩色光包含一種波長 的能量，其他 波長都為零， 是單色光第11頁,共64頁，2024年2月25日，星期天12光譜能量分布定義顏色十分麻煩光譜與顏色的對應(yīng)關(guān)系是多對一兩種光的光譜分布不同而顏色相同的現(xiàn)象稱為“異譜同色”必須采用其他的定義顏色的方法， 使光本身與顏色一一對應(yīng)第12頁,共64頁，2024年2月25日，星期天13三色學(xué)說顏色視覺及真實感圖形學(xué)的生理基礎(chǔ)，顏色科學(xué)中最基本、最重要的理論顏色具有恒常性，顏色之間的對比效應(yīng)能使人區(qū)分不同顏色顏色具有混合性，牛頓在十七世紀(jì)后期用棱鏡把太陽光分散成光譜上的顏色光帶，證明白光由很多顏色光混合而成第13頁,共64頁，2024年2月25日，星期天14十九世紀(jì)初Yaung提出某種波長的光可以通過三種不同波長的光混合而復(fù)現(xiàn)出來的假說紅（R）、綠（G）、藍（B）三原色把三種原色按照不同的比例混合就能準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)其他任何波長的光三原色等量混合產(chǎn)生白光

Maxwell用旋轉(zhuǎn)圓盤證實了Yaung假設(shè)。第14頁,共64頁，2024年2月25日，星期天151862年，Helmhotz在上面的基礎(chǔ)上提出顏色視覺機制學(xué)說，即三色學(xué)說，也稱為三刺激理論用三種原色能夠產(chǎn)生各種顏色的三色原理是當(dāng)今顏色科學(xué)中最重要的原理和學(xué)說第15頁,共64頁，2024年2月25日，星期天16近代三色學(xué)說視網(wǎng)膜中存在著三種椎體細胞，對光刺激的興奮程度不同，分別感受紅、綠、藍光。作用與顏色混合相同黃光刺激眼睛的例子三色學(xué)說是真實感圖形學(xué)中RGB顏色模型提出的理論基礎(chǔ)第16頁,共64頁，2024年2月25日，星期天17CIE色度圖三色學(xué)說原理說明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。還有如何使三原色按某唯一比例混合復(fù)現(xiàn)給定顏色的問題。顏色匹配－混合光與給定光的顏色相同CIE－國際照明委員會選取的標(biāo)準(zhǔn)紅、綠、藍三種光(700,546,435.8)第17頁,共64頁，2024年2月25日，星期天18CIE-RGB系統(tǒng)光的顏色匹配式子：權(quán)值r、g、b為顏色匹配中所需要的R、G、B三色光的相對量1931年，CIE給出 等能標(biāo)準(zhǔn)三原色 匹配任意顏色的 光譜三刺激值曲線第18頁,共64頁，2024年2月25日，星期天19CIE-XYZ系統(tǒng)CIE-RGB曲線一部分三刺激值是負(fù)數(shù)，表明只能在給定光上疊加曲線中負(fù)值對應(yīng)的原色，去匹配另兩種原色的混合計算不便，不易理解1931年CIE-XYZ系統(tǒng)，利用三種假想的標(biāo)準(zhǔn)原色X、Y、Z，使顏色匹配三刺激值都是正值：任何顏色都能由標(biāo)準(zhǔn)三原色混合匹配（三刺激值是正的）第19頁,共64頁，2024年2月25日，星期天20色度圖復(fù)現(xiàn)顏色的三原色比例值是否唯一？三刺激空間－用三原色的單位向量定 義三維顏色空間顏色刺激表示為三刺激空間中以原點為起點的向量，向量的方向代表顏色第20頁,共64頁，2024年2月25日，星期天21三刺激空間第21頁,共64頁，2024年2月25日，星期天22在三刺激空間上取通過（R）、（G）、（B）坐標(biāo)軸單位向量的截面，截面的方程為（R）＋（G）＋（B）＝1。該截面與三個坐標(biāo)平面的交線構(gòu)成一個等邊三角形，稱為色度圖顏色刺激向量與色度圖有且僅有唯一交點，色度圖可以唯一的表示三刺激空間中的所有顏色值第22頁,共64頁，2024年2月25日，星期天23色度圖上每一個點代表不同的顏色，對于三刺激空間中坐標(biāo)為X、Y、Z的顏色刺激向量Q，它與色度圖交點的坐標(biāo)（x，y，z）即三刺激值也被稱為色度值第23頁,共64頁，2024年2月25日，星期天24CIE色度圖CIE色度圖－色度圖投影到XY平面上馬蹄形區(qū)域的邊界和內(nèi)部代表了所有可見光的色度值邊界彎曲部分代表了光譜在某種純度為百分之百的色光色度圖與三刺激值是描述顏色的標(biāo)準(zhǔn)精確方法，應(yīng)用較復(fù)雜第24頁,共64頁，2024年2月25日，星期天25CIE色度圖Z=1-X-Y二維表示第25頁,共64頁，2024年2月25日，星期天26常用顏色模型顏色模型是指某個三維顏色空間中的一個可見光子集，包含某個顏色域的所有顏色顏色模型的用途是在某個顏色域內(nèi)方便地指定顏色第26頁,共64頁，2024年2月25日，星期天27RGB顏色模型通常使用于彩色光柵圖形顯示設(shè)備中真實感圖形學(xué)中的主要的顏色模型采用三維直角坐標(biāo)系RGB立方體第27頁,共64頁，2024年2月25日，星期天28紅、綠、藍原色混合在一起可以產(chǎn)生復(fù)合色三原色混合效果第28頁,共64頁，2024年2月25日，星期天29CMY顏色模型以紅、綠、藍的補色青、品紅、黃為原色構(gòu)成的顏色模型常用于從白光中濾去某種顏色，又被稱為減性原色系統(tǒng)，在白色中減去某種顏色來定義一種顏色用于印刷行業(yè)中(見下頁)第29頁,共64頁，2024年2月25日，星期天30印刷硬拷貝設(shè)備的顏色處理在白紙面上涂黃色和品紅色， 紙面上將呈現(xiàn)紅色,因為 白光被吸收了藍光和綠光， 只能反射紅光RGB顏色模型與

CMY顏色模型都是面向硬件模型第30頁,共64頁，2024年2月25日，星期天31HSV顏色模型HSV顏色模型是面向用戶的對應(yīng)圓柱坐標(biāo)系的圓錐形子集圓錐的頂面對應(yīng)于V=1色彩H由繞V軸的旋轉(zhuǎn)角給定飽和度S取值從0到1， 由圓心向圓周過渡第31頁,共64頁，2024年2月25日，星期天32畫家配色方法HSV模型對應(yīng)畫家的配色的方法在一種純色中加入白色以改變色濃，加入黑色以改變色深。同時加入不同比例的白色，黑色即可得到不同色調(diào)的顏色第32頁,共64頁，2024年2月25日，星期天33RGB模型與HSV模型聯(lián)系RGB立方體從白色頂點沿著主對角線向原點方向投影，可以得到一個正六邊形，該六邊形是HSV圓錐頂面的一個真子集RGB空間的主對角線， 對應(yīng)于HSV空間的V軸第33頁,共64頁，2024年2月25日，星期天344．2 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只考慮光源對物體的直接光照第34頁,共64頁，2024年2月25日，星期天35早期發(fā)展1967年，Wylie等人第一次在顯示物體時加進光照效果，認(rèn)為光強與距離成反比。1970年，Bouknight提出第一個光反射模型：Lambert漫反射＋環(huán)境光1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的思想1975年，Phong提出圖形學(xué)中第一個有影響的光照明模型第35頁,共64頁，2024年2月25日，星期天36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36頁,共64頁，2024年2月25日，星期天37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37頁,共64頁，2024年2月25日，星期天38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38頁,共64頁，2024年2月25日，星期天39光的度量立體角：面元ds向點光源P所張的立體角為點發(fā)光強度單位時間內(nèi)通過面元ds的光能量為光通量dF點發(fā)光強度為某個方向上單位立體角的內(nèi)的光通量第39頁,共64頁，2024年2月25日，星期天40Phong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鏡面反射(SpecularReflection)漫反射(DiffuseReflection)物體間作用用環(huán)境光(AmbientLight)表示第40頁,共64頁，2024年2月25日，星期天41Phong模型幾何第41頁,共64頁，2024年2月25日，星期天42Phong模型的表示理想漫反射漫反射光均勻向各方向傳播，與視點無關(guān)由Lambert余弦定律，漫反射光強為是與物體有關(guān)的漫反射系數(shù)，漫反射系數(shù)有三個分量 ，分別代表RGB三原色的漫反射系數(shù)，通過調(diào)整它們來設(shè)定物體的顏色第42頁,共64頁，2024年2月25日，星期天43鏡面反射光對一般的光滑表面，反射光集中在一個范圍內(nèi)，且由反射定律決定的反射方向光強最大鏡面反射光強可表示為是與物體有關(guān)的鏡面反射系數(shù)，n為反射指數(shù)，反映物體表面的光澤程度，數(shù)目越大物體表面越光滑第43頁,共64頁，2024年2月25日，星期天44反射方向計算鏡面反射光將會在反射方向附近形成很亮的光斑，稱為高光現(xiàn)象鏡面反射光產(chǎn)生的高光區(qū)域只反映光源的顏色鏡面反射系數(shù)是一個與物體的顏色無關(guān)的參數(shù)第44頁,共64頁，2024年2月25日，星期天45環(huán)境光環(huán)境光是指光源間接對物體的影響光在物體和環(huán)境之間多次反射，最終達到平衡同一環(huán)境下的環(huán)境光光強分布均勻近似表示：為物體對環(huán)境光的反射系數(shù)第45頁,共64頁，2024年2月25日，星期天46Phong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、理想漫反射光強、和鏡面反射光的總和。第46頁,共64頁，2024年2月25日，星期天47Phong模型的實現(xiàn)對物體表面上的每個點P，均需計算光線的反射方向。為了減少計算量，假設(shè)：光源在無窮遠處，L為常向量視點在無窮遠處，V為常向量（H?N）近似（R?V），H為L與V的平分向量對所有的點總共只需計算一次H的值，節(jié)省了計算時間第47頁,共64頁，2024年2月25日，星期天48Phong光照明模型的RGB顏色模型形式:第48頁,共64頁，2024年2月25日，星期天49Phong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49頁,共64頁，2024年2月25日，星期天50Phong模型示例_1理想漫反射環(huán)境光+境面反射+=第50頁,共64頁，2024年2月25日，星期天51Phong模型示例_2

第51頁,共64頁，2024年2月25日，星期天52增量式光照明模型Phong模型光強計算公式是物體表面法向量的函數(shù)多邊形內(nèi)部的象素顏色相同不同法向的多邊形鄰接處有光強突變及馬赫帶效應(yīng)保證多邊形之間的顏色光滑過渡－增量式光照明模型第52頁,共64頁，2024年2月25日，星期天53基本思想在每個多邊形頂點處計算光照明強度或參數(shù)，然后在各個多邊形內(nèi)部進行雙線性插值，得到多邊形光滑均勻顏色分布兩個主要算法雙線性光強插值、Gouraud明暗處理雙線性法向插值、Phong明暗處理第53頁,共64頁，2024年2月25日，星期天54Gouraud雙線性光強插值Gouraud于1971年提出，又被稱為

Gouraud明暗處理計算多邊形各頂點的光強， 再用雙線性插值， 求出多邊形內(nèi)部各點的光強第54頁,共64頁，2024年2月25日，星期天55算法描述算法步驟的基本描述：計算多邊形頂點的平均法向用簡單光照明模型計算頂點的平均光強插值計算離散多邊形邊上的各點光強插值計算多邊形內(nèi)域中各點的光強。第55頁,共64頁，2024年2月25日，星期天56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頂點A相鄰的多邊形有k個，它的法向量計算為：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頂點法向計算第56頁,共64頁，2024年2月25日，星期天57頂點平均光強計算用Phong光照明模型及平均法向量計算在頂點A處的光強Gouraud提出明暗處理方法時，Phong模型還沒有出現(xiàn)，采用：第57頁,共64頁，2024年2月25日，星期天58光強插值雙線性光強插值由頂點的光強插值計算各邊的光強，然后由各