【圖文】計算機圖形學(xué)第十二章真實感圖形繪制(精)

1、第十二章 真實感圖形繪制簡單光照明模型多邊形繪制方法透明整體觀照明模型光線跟蹤算法光照模型(Illumination Model):計算某 一點的光強度的模型真實感圖形的特點能反映物體表而顏代和亮度的細(xì)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，充分休現(xiàn)物體間的相互遮扌當(dāng) 關(guān)系能模擬透明物體的透明效果和鏡面物體的鏡而 效果光源 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 折射性影響表面光潔度I光源4 兒何性質(zhì) 點光源線光源面光源光譜組成-白色光等能量的各種波長可見光的組合彩色光單色光真實感圖

2、形學(xué)早期發(fā)展 1967年，Wylie等人第一次在顯示物體吋加進(jìn)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折射折射定律：折射線在入射線與法響罟的平面(P折射光下標(biāo)為i,d,szt,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) 模型一

3、光照明模型簡單光照明模型亦稱局部光照明模型， 迷昱不透明的，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)地模扌以為環(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能量簡單光照明模型反射透射（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：在空間屮近似均勻分布，即在任何位置、任何方向上強度一樣/記為la環(huán)境：）匕反身寸系數(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。1照射主要發(fā)生:光照明方程（僅含環(huán)境光）:Ie = Kala Ie為物體

4、表面所呈現(xiàn)的亮度。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。Ka=0.4K/0.8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I在物體的不同部分其亮度也不 同，亮度的人小依賴于物體的朝向及它與點光源Z間 的距離.簡單光照明模型：漫反射角度余弦 旳推導(dǎo)占、漫反射粗槌、無光澤物礦（如粉筆）表而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 只與入射芹有關(guān)kTTId=IpKdcos點光源簡單光照明模型

5、漫反射將環(huán)境光與漫反射結(jié)合起來簡單光照明模型漫反射:対丁許多物體,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。簡單光照明模型鏡面反射 鏡而反射光滑物體（如金屬或塑料）表面對光的反射1 = 1嚴(yán)1廠1店嚴(yán)IpK0N)0.200. 250. 15咼光入射光在光滑物體表面形成的特別亮的區(qū)域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。面射 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簡單光照明模型鏡面

6、反射E 為饒面反射光強。點光源的亮度能是與物體有關(guān)的鏡而反射系數(shù)。1】 為鏡而反射指數(shù)，n越大，則隨01的增大衰減的越快。簡單光照明模型鏡面反射非理想鏡面反射NP 1】的取值與表面粗糙程度有關(guān)。1】越大，表而越平滑（散射現(xiàn)象少，稍一偏離，明暗亮度急劇下降）簡單光照明模型-鏡面反射反射方向計算 L在N上的投影矢量為Ncosu,則S+L二Ncosu記矢量S二Ncosi) -L則有R= Ncosu +S簡單光照明模型-Phong光照明模型L簡單光照明模型模擬物體表面對光的反 射作用，光源為皆光源反射作用分為物體間作用用環(huán)境光(Ambient Light)漫反射(Diffuse Reflection)

7、鏡面反射(Specular Reflection)R = 2Ncos0-L = 2N(NL)-L冊厶與勺平分向量簡單光照明模型-Phong光照明模型Phong光照明模型的綜合表述:由物體表 而上一點P反射到視點的光強Z為環(huán)境光 的反射光強4、理想漫反射光強怡、和鏡 面反射光的總和。= IaKaIpKd(L-N) + Ks(y-Ry簡單光照明模型-Phong光照明模型的實現(xiàn)對物體表面上的每個點只均需計算光線 的反射方向。為了減少計算量，假設(shè)：光源在無窮遠(yuǎn)處，L為常向量視點在無窮遠(yuǎn)處，V為常向量(H-N)近似(R-V),對所有的點總共只需計算一次H的值，節(jié)省了計算時間H-L和V簡單光照明模型-Ph

8、ong光照明模型Ehong模型幾何簡單光照明模型比的衰減koWM_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)的加入應(yīng)的比例因子So按如下方式確定簡單光照明模型-光的衰減 士光的衰減光在光源到物體表面過程中的衰減 光強按l/d2進(jìn)行衰減:缺點：當(dāng)d很大時，變化很小；當(dāng)d很小時,光照明方程/ = IaKa+ f(d)IKd(LN) +KS(V 7?rj簡單光照明模型光的衰減光在物體表面到人眼過程屮的衰減Depth Cueing）技術(shù)：最初用于線框圖形的顯示，使距離遠(yuǎn)的點比近的點暗一些。經(jīng)過

9、改進(jìn)，這種技術(shù)同樣適用于真實感圖形顯示。-設(shè)前參考面Z=Zf,后參考面Z=Zb；其比例因子 分別為S和So（S朿IS處0,1） o給定物體上一 點的深度值Zo,該點對變化很大。衰減函數(shù)/()=久+切+皿2）前參考而A后參考而簡單光照明模型-光的衰減”、lZo乙耐，取 So=Sf:當(dāng)Zo vZf時，取So =Sb當(dāng)ZOE原亮度I按比例So與融和亮度1尤混合， 目 的是獲得最終用于顯示的亮度I，I尤由 用戶指定廠=SM+（I-s）g簡單光照明模型光的衰減L_r = s0/+（i-50）/c. F特例：取S/=lzSz.=O,I=O,則當(dāng)物體位于參考 面之前時，So= S/= 1, r =1,即亮度

10、沒 有被衰減。當(dāng)物體位于后參考面之后時，So =Sb=0,I=Idc=Q9即亮度衰減為0。 而當(dāng)Zoe Zz.,Zd時，I =SoI,亮度被部分 衰減。由此可以產(chǎn)生較好的效果。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RG B模型為顏色模型中的每一種基色建立光照明方程IR= MR+WE厶N) +K$R(Vm lG= IaGKaG+ f(d)IpCKdc(L - N) + K5G(y R)nIB= 1曲 +f(d)IQKdB(L. N) +KSB(V RY簡單系數(shù)分解上述各等式中，右端的矢量川來控制表而的基本顏色，當(dāng)選定了物體表面的顏色之后，它們就固定不變了。用戶通過調(diào)節(jié)心，K

11、”，Ks來改變表面的反射率。簡單光照明模型彩色場景的產(chǎn)生新的光照明方程1R= KCdRIaR+ /()/諒島。(厶N) +KsCsR(y Ry Ic= KaCdcIaC+ f(d)lpCKdCdc(L- N) + KsCsC(V RY11B=KaCdBIllB+ f(d)/pBKdCdB(L-N) + KSCSB(V /?)”統(tǒng)一表示dRGBh = KaCdAIaA+ /(”區(qū)心匚N) +KSCSA(V RY 簡單光照明模型多個光源采用多個光源采用m個光源的光照明方程乞蝕1小瓦5(厶 N) +KsCs,(VRJi=l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：

12、增加鏡面反射e圖：增加光的衰減f圖：兩個點光源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) 鏡面反射犬入射角失真現(xiàn)象( (G(b)(c)(d)(e)(f)I I 多邊形繪制方法 b b 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(yuǎn)處；2）視點在無窮遠(yuǎn)處；3）多邊形是物體表而的梢確表示；多邊形繪制方法缺點：產(chǎn)生的圖形效果不好。如左圖：相鄰

13、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tGouraud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(jìn)行線性插 值，得到多邊形內(nèi)部各點顏色。即它是 一禾中咅頁色插值著色方法。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 而的所有多邊形（多邊形網(wǎng)格）作為一 個整體萊處理。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:

14、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iGouraud著色方法-頂點法向計算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n=/=1土Ni1=1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Gourand著色方法、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(jìn)行雙線性插值，獲得多邊形內(nèi)部各點的光強（顏色）Gourand著色方法-光強插值丄雙線性光強插值：假設(shè)待繪制的三角形投影為Pi的坐標(biāo)為(xi,yi), i=l, 2, 3；一條掃描 線與三角形的兩條邊分別交于A(XA,VA), B(XB,VB)兩點。P(x, y)

15、是AB上的一點。A點的顏色I(xiàn)A由Pi、P2點的顏色I(xiàn)】、12線性插值得到釆用增量算法可以加速計算。1)當(dāng)掃描線y遞增一個單位變?yōu)閥+l時,IA、IB的增量分別為AIA, AIB,即A,y+ = A,y + A，B,y+l =【 B其中：X一力X一幾x一兒y一力Gourand著色方法-增量算法_力兒y Q1一忙Gourand著色方法-增量算法2)當(dāng)X遞增一個單位時,IP的增量為“P即 1、高光有時會異常 2、當(dāng)對曲而采用不同的多邊形進(jìn)行分割時會產(chǎn)生不同 的效果。 3、Gouraudl|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)i/p,x+l =I P,x + Zp其中