計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)

1、 第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述第二節(jié)第二節(jié) 圖形的幾何變換圖形的幾何變換 第三節(jié)第三節(jié) 圖形裁剪技術(shù)圖形裁剪技術(shù)第四節(jié)第四節(jié) 圖形的消隱技術(shù)圖形的消隱技術(shù) 第五節(jié)第五節(jié) 圖形的真實(shí)感圖形的真實(shí)感一、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的基本概念 圖形的種類：圖形（圖形（矢量圖形矢量圖形 ） 圖像圖像圖形與圖像的區(qū)別圖形與圖像的區(qū)別二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述定義：研究通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門的顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。圖形圖形采用參數(shù)法描述的圖形（矢量圖形）形狀參數(shù) ： 描述圖形的方程系數(shù)，線段或多邊形的端點(diǎn)坐標(biāo)等 ； 屬性參數(shù)

2、 : 灰度、色彩、線型等非幾何屬性。 構(gòu)成圖形的要素有兩個(gè)：刻畫形狀的點(diǎn)、線、面、體反映物體表面屬性或材質(zhì)的明暗、灰度、色彩圖形圖形圖像圖像 采用點(diǎn)陣法描述的圖形（點(diǎn)陣圖形）照片、位圖、圖片存儲信息存儲信息：灰度 ，色彩 圖像圖像矢量圖形與圖象的區(qū)別：矢量圖形可以容易縮放而不影響圖形的輸出質(zhì)量圖像放大前 放大后圖形 二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容 (1)(1)圖形的輸入圖形的輸入 研究如何把需要處理的圖形輸入計(jì)算機(jī)，以便讓計(jì)算研究如何把需要處理的圖形輸入計(jì)算機(jī)，以便讓計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種處理機(jī)進(jìn)行各種處理。（2 2）圖形的生成、顯示、輸出）圖形的生成、顯示、輸出 如何在計(jì)算機(jī)上生成圖形，在打印機(jī)、繪圖機(jī)

3、上輸出圖如何在計(jì)算機(jī)上生成圖形，在打印機(jī)、繪圖機(jī)上輸出圖形。形。（3 3）圖形的變換）圖形的變換 如何對計(jì)算機(jī)圖形進(jìn)行幾何變換、色彩灰度變換等。如何對計(jì)算機(jī)圖形進(jìn)行幾何變換、色彩灰度變換等。（4 4）圖形編輯）圖形編輯如何對圖形進(jìn)行組合、分解、插入、裁剪等技術(shù)。如何對圖形進(jìn)行組合、分解、插入、裁剪等技術(shù)。機(jī)械CAD/CAM第二章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)第二章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)三三 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用（1 1）在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用）在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用（a a）工程圖工程圖（b b）線框圖線框圖 （c c）實(shí)體圖實(shí)體圖 機(jī)械CAD/CAM第二章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)第二章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)（2 2）

4、科學(xué)計(jì)算可視化）科學(xué)計(jì)算可視化 廣泛應(yīng)用于廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析及氣候分析醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析及氣候分析中。中。（3 3）計(jì)算機(jī)動(dòng)畫）計(jì)算機(jī)動(dòng)畫機(jī)械CAD/CAM第二章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)第二章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)（4 4）過程監(jiān)控）過程監(jiān)控（5 5）計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)）計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（6 6）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 用曲線來模擬用曲線來模擬火箭發(fā)射的飛行軌跡火箭發(fā)射的飛行軌跡，同時(shí)不斷修正參數(shù)。，同時(shí)不斷修正參數(shù)。 利用計(jì)算機(jī)圖像可以清楚的表現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)圖像可以清楚的表現(xiàn)數(shù)學(xué)曲線、幾何曲面數(shù)學(xué)曲線、幾何曲面的形成。的形成。 用計(jì)算機(jī)技術(shù)來生成一個(gè)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來生成一個(gè)逼真的三維視

5、覺、聽覺、逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。進(jìn)行瀏覽和交互考察。機(jī)械CAD/CAM第二章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)第二章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality第二節(jié)第二節(jié) 圖形圖形的幾何的幾何變換變換圖形變換基本知識圖形變換基本知識 二維圖形基本幾何變換二維圖形基本幾何變換二維圖形的復(fù)合變換二維圖形的復(fù)合變換 三維圖形的幾何變換三維圖形的幾何變換 投影變換投影變換圖形變換圖形變換

6、指對圖形的幾何信息經(jīng)過幾何變換后產(chǎn)生新的圖形，提出的構(gòu)造或修改圖形的方法。 除圖形的位置變動(dòng)外，可以將圖形放大或縮小，或者對圖形作不同方向的拉伸來使其扭曲變形1 1構(gòu)成圖形的基本要素及其表示方法構(gòu)成圖形的基本要素及其表示方法 點(diǎn)點(diǎn)是構(gòu)成圖形的基本要素。是構(gòu)成圖形的基本要素。 任何一個(gè)圖形都可以認(rèn)為是點(diǎn)之間的連線構(gòu)成，對一個(gè)圖任何一個(gè)圖形都可以認(rèn)為是點(diǎn)之間的連線構(gòu)成，對一個(gè)圖形作幾何變換，實(shí)際上就是對一系列點(diǎn)進(jìn)行變換。形作幾何變換，實(shí)際上就是對一系列點(diǎn)進(jìn)行變換。點(diǎn)和圖形的表示：點(diǎn)和圖形的表示： 二維平面內(nèi)，一個(gè)點(diǎn)通常用坐標(biāo)二維平面內(nèi)，一個(gè)點(diǎn)通常用坐標(biāo) (x , y) (x , y) 來表示，矩陣

7、形式來表示，矩陣形式為為： 或 三角形的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)三角形的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo) a( x1, y1 ), b( x2, y2 ), c( x3, a( x1, y1 ), b( x2, y2 ), c( x3, y3 )y3 )，用矩陣表示：，用矩陣表示： 1 1構(gòu)成圖形的基本要素及其表示方法構(gòu)成圖形的基本要素及其表示方法三維形體矩陣表示形式為：三維形體矩陣表示形式為：1112223nnnnxzyxyzyxz2.2.點(diǎn)和圖形的齊次坐標(biāo)表示點(diǎn)和圖形的齊次坐標(biāo)表示 是將一個(gè)是將一個(gè)n n維維空間的點(diǎn)用空間的點(diǎn)用n n1 1維維表示，即附加一個(gè)坐標(biāo)表示表示，即附加一個(gè)坐標(biāo)表示 二維點(diǎn)二維點(diǎn)x yx y的齊

8、次坐標(biāo)通常用三維坐標(biāo)的齊次坐標(biāo)通常用三維坐標(biāo)HHx x H Hy y H H表示表示三維點(diǎn)三維點(diǎn)x y zx y z的齊次坐標(biāo)通常用四維坐標(biāo)的齊次坐標(biāo)通常用四維坐標(biāo) H Hx x H Hy y H Hz z H H 表示表示 齊次坐標(biāo)系中，附加的坐標(biāo)齊次坐標(biāo)系中，附加的坐標(biāo) 稱為稱為 HxHx、HyHy、HzHz H H的取值是任意的，的取值是任意的，任何一個(gè)點(diǎn)可用許多組齊次坐標(biāo)來表示任何一個(gè)點(diǎn)可用許多組齊次坐標(biāo)來表示。 如：二維點(diǎn)如：二維點(diǎn) 3 23 2可表示為可表示為3 2 1 3 2 1 ， 6 4 2 6 4 2 當(dāng)取當(dāng)取時(shí)，稱為時(shí)，稱為 1yx1yx1yx1yx44332211四邊形

9、用齊次坐標(biāo)可表示：四邊形用齊次坐標(biāo)可表示： 采用齊次坐標(biāo)表示的主要采用齊次坐標(biāo)表示的主要優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1 1）為幾何圖形的二維、三維甚至高維空間的坐標(biāo)變換提供）為幾何圖形的二維、三維甚至高維空間的坐標(biāo)變換提供統(tǒng)一的矩陣運(yùn)算方法統(tǒng)一的矩陣運(yùn)算方法，并可以方便地將它們組合在一，并可以方便地將它們組合在一起進(jìn)行組合變換。起進(jìn)行組合變換。 平移、比例和旋轉(zhuǎn)等變換的組合變換處理形式不統(tǒng)一，平移、比例和旋轉(zhuǎn)等變換的組合變換處理形式不統(tǒng)一，將很難把它們聯(lián)系在一起。將很難把它們聯(lián)系在一起。（2 2）無窮遠(yuǎn)點(diǎn)的處理比較方便無窮遠(yuǎn)點(diǎn)的處理比較方便。 如：對二維的齊次坐標(biāo)如：對二維的齊次坐標(biāo) A B HA B H，當(dāng)

10、，當(dāng)H0H0時(shí)，時(shí)，表示直線上表示直線上 Ax+By=0 Ax+By=0 的連續(xù)點(diǎn)（的連續(xù)點(diǎn)（x x，y y）逐漸趨）逐漸趨近于無窮點(diǎn)近于無窮點(diǎn) 三維情況下，利用齊次坐標(biāo)表示視點(diǎn)在世界坐三維情況下，利用齊次坐標(biāo)表示視點(diǎn)在世界坐標(biāo)系原點(diǎn)時(shí)的投影變換標(biāo)系原點(diǎn)時(shí)的投影變換變換矩陣：變換矩陣： 設(shè)一個(gè)幾何圖形的齊次坐標(biāo)矩陣為設(shè)一個(gè)幾何圖形的齊次坐標(biāo)矩陣為 ，另有一個(gè)矩陣另有一個(gè)矩陣 ，則由矩陣乘法運(yùn)算可得一新矩陣則由矩陣乘法運(yùn)算可得一新矩陣 ： 矩陣矩陣B B是矩陣是矩陣A A經(jīng)變換后的經(jīng)變換后的圖形矩陣圖形矩陣用來對原圖形施行坐標(biāo)變換用來對原圖形施行坐標(biāo)變換矩陣矩陣T T 稱為稱為變換矩陣變換矩陣

11、根據(jù)矩陣運(yùn)算原理，根據(jù)矩陣運(yùn)算原理，二維圖形變換矩陣二維圖形變換矩陣T T為為3 33 3階矩陣階矩陣，三維三維圖形的變換矩陣圖形的變換矩陣T T為為4 44 4階矩陣階矩陣。 通過矩陣的乘法可以對圖形進(jìn)行諸如通過矩陣的乘法可以對圖形進(jìn)行諸如、等各種變換。等各種變換。圖形變換的主要工作就是圖形變換的主要工作就是 。二維圖形的基本幾何變換二維圖形的基本幾何變換 平移變換平移變換 比例變換比例變換 對稱變換對稱變換 旋轉(zhuǎn)變換旋轉(zhuǎn)變換 錯(cuò)切變換錯(cuò)切變換 歸納歸納 二維圖形的復(fù)合變換二維圖形的復(fù)合變換二維圖形幾何變換主要有二維圖形幾何變換主要有: :平移變換平移變換 圖形的每一個(gè)點(diǎn)在給定的方向上移動(dòng)相

12、同距離所得的變換稱為圖形的每一個(gè)點(diǎn)在給定的方向上移動(dòng)相同距離所得的變換稱為 。圖形在圖形在x x軸方向的平移量為軸方向的平移量為l l，在在y y軸方向的平移量為軸方向的平移量為m m， 則坐標(biāo)點(diǎn)的平移變換：則坐標(biāo)點(diǎn)的平移變換： 1yx 1yx1ml01000 1 1mylxmyylxx幾何關(guān)系矩陣形式比例變換比例變換(1) a = e = 1(1) a = e = 1時(shí)，為恒等比例變換，即圖形不變時(shí)，為恒等比例變換，即圖形不變(2) a = e (2) a = e 1 1時(shí)，圖形沿兩個(gè)坐標(biāo)軸方向等比放大時(shí)，圖形沿兩個(gè)坐標(biāo)軸方向等比放大(3) a = e (3) a = e 1 1時(shí)，圖形沿兩

13、個(gè)坐標(biāo)軸方向等比縮小時(shí)，圖形沿兩個(gè)坐標(biāo)軸方向等比縮小(4) ae(4) ae時(shí)，圖形沿兩個(gè)坐標(biāo)軸方向進(jìn)行非等比變換，稱為畸變時(shí)，圖形沿兩個(gè)坐標(biāo)軸方向進(jìn)行非等比變換，稱為畸變 圖形中的每一個(gè)點(diǎn)以坐標(biāo)原圖形中的每一個(gè)點(diǎn)以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心，按相同的比例進(jìn)行點(diǎn)為中心，按相同的比例進(jìn)行放大或縮小所得到的變換稱為放大或縮小所得到的變換稱為 圖形在圖形在x x，y y兩個(gè)坐標(biāo)方向放大或兩個(gè)坐標(biāo)方向放大或縮小比例分別為縮小比例分別為 a a 和和e e。 則坐標(biāo)點(diǎn)的比例變換：則坐標(biāo)點(diǎn)的比例變換：對稱變換對稱變換也稱也稱，指變換前后的點(diǎn)對稱于指變換前后的點(diǎn)對稱于x x軸、軸、y y軸、某一直線或點(diǎn)軸、某一直線或點(diǎn)

14、(1)(1)以以的對稱變換的對稱變換 變換后，圖形點(diǎn)集的變換后，圖形點(diǎn)集的x x坐標(biāo)值不坐標(biāo)值不變，變，y y坐標(biāo)值不變，符號相反坐標(biāo)值不變，符號相反矩陣形式（2 2）以）以的對稱變換的對稱變換 變換后，圖形點(diǎn)集的變換后，圖形點(diǎn)集的y y坐標(biāo)值不變坐標(biāo)值不變，x x坐標(biāo)值不變，坐標(biāo)值不變，符號相反符號相反矩陣形式（3 3） 以以的對稱變換的對稱變換變換后，圖形點(diǎn)集的變換后，圖形點(diǎn)集的x x和和y y坐標(biāo)值不變，符號均相反坐標(biāo)值不變，符號均相反矩陣形式(5)(5)的對稱變換的對稱變換(4)(4)的對稱變換的對稱變換變換后，圖形點(diǎn)集的變換后，圖形點(diǎn)集的x x和和y y坐標(biāo)對調(diào)坐標(biāo)對調(diào)變換后，圖形點(diǎn)

15、集的變換后，圖形點(diǎn)集的x x和和y y坐標(biāo)對調(diào)，符號相反坐標(biāo)對調(diào)，符號相反矩陣形式矩陣形式旋轉(zhuǎn)變換旋轉(zhuǎn)變換 圖形繞原點(diǎn)沿逆時(shí)針方圖形繞原點(diǎn)沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)角，變換后的點(diǎn)角，變換后的點(diǎn)（x x* * , y , y* *）的數(shù)學(xué)表達(dá)）的數(shù)學(xué)表達(dá)式式: :規(guī)定：規(guī)定：逆時(shí)針方向?yàn)檎?，逆時(shí)針方向?yàn)檎槙r(shí)針方向?yàn)樨?fù)。順時(shí)針方向?yàn)樨?fù)。是將圖形繞是將圖形繞固定點(diǎn)順時(shí)針或逆時(shí)固定點(diǎn)順時(shí)針或逆時(shí)針方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)針方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)繞原點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)繞原點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角的角的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：數(shù)學(xué)表達(dá)式為： X=XCOS-YSIN Y=YCOS+XSIN 錯(cuò)切變換錯(cuò)切變換 錯(cuò)切變換錯(cuò)切變換是圖形的每一個(gè)點(diǎn)是圖形的每一個(gè)

16、點(diǎn)在某一方向上坐標(biāo)保持不變，在某一方向上坐標(biāo)保持不變，而另一坐標(biāo)方向上坐標(biāo)進(jìn)行線而另一坐標(biāo)方向上坐標(biāo)進(jìn)行線性變換，或都進(jìn)行線性變換性變換，或都進(jìn)行線性變換有有x x和和y y方向的錯(cuò)切變換方向的錯(cuò)切變換 1. 1. 圖形沿圖形沿的錯(cuò)切矩陣表示為：的錯(cuò)切矩陣表示為： 圖形的圖形的 y y 坐標(biāo)不變，坐標(biāo)不變，x x 坐標(biāo)隨坐標(biāo)（坐標(biāo)隨坐標(biāo)（x yx y）和系數(shù)）和系數(shù) b b 作線性變作線性變化，化，b0 b0 b0b0，圖形沿，圖形沿+x+x方向錯(cuò)切；方向錯(cuò)切； b0b0d0，圖形沿，圖形沿 +y +y 方向錯(cuò)切；方向錯(cuò)切； d0d1s1，圖形等比例縮小，圖形等比例縮小 0s10s 0D 0，

17、則平面不可見不可見，應(yīng)被隱藏；隱藏；b）D 0D 0，則平面是可見面可見面，應(yīng)被畫出。只能用于凸面體凸面體的消隱，而不適用于凹面體凹面體消隱 徑向預(yù)排序法徑向預(yù)排序法徑向預(yù)排序法消隱的要點(diǎn)是，先對物體及物體的表面進(jìn)行由遠(yuǎn)及近的排序，對具有相同角位置的物體或表面，先畫較遠(yuǎn)的，后畫較近的，這樣如果較近的物體或表面擋住了較遠(yuǎn)的物體或表面，則被遮擋的部分被覆蓋而實(shí)現(xiàn)消隱。但對具有不同角位置的物體或表面，先畫哪一個(gè)可根據(jù)需要來決定。徑向排序法 徑向排序法是對徑向預(yù)排序法的改進(jìn)算法， 實(shí)現(xiàn)對模型的旋轉(zhuǎn)變換旋轉(zhuǎn)變換，以便能從不同的角度來觀能從不同的角度來觀察物體察物體。隔離平面法主要用于多多個(gè)物體之間其基礎(chǔ)

18、是平面公式法平面公式法?；驹恚航⒁粋€(gè)虛擬平面，并根據(jù)平面公式法判斷出兩個(gè)物體分別位于該平面的哪一側(cè)，以及該平面的哪一側(cè)朝向觀察點(diǎn)，則可以推論得到位于平面朝向觀察點(diǎn)一側(cè)的物體離觀察點(diǎn)較近，將遮擋位于平面背向觀察點(diǎn)一側(cè)的物體。深度排序法主要用于多多個(gè)物體之間其基礎(chǔ)是平面公式法平面公式法?；驹恚罕容^不同物體或表面的表示遠(yuǎn)近的z坐標(biāo)，在觀察點(diǎn)位于原點(diǎn)的觀察坐標(biāo)系中， | z | z |值越大值越大的物體或表面離觀察點(diǎn)越遠(yuǎn)離觀察點(diǎn)越遠(yuǎn)，被消隱的可能性越大，應(yīng)先畫出； | z | z |值越小值越小的物體或表面離觀察點(diǎn)越近越近，將可能遮擋較遠(yuǎn)的物體或表面，應(yīng)后畫出。 注意：需要深度信息和繪圖順序

19、需要深度信息和繪圖順序 P2ZP12F2P1F1OXY（image space）基本思想基本思想: :1. 1.將屏幕置成背景色一個(gè)象素將屏幕置成背景色一個(gè)象素2. 2.將物體的各表面按其離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近排序?qū)⑽矬w的各表面按其離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近排序3. 3.由遠(yuǎn)及近地繪制物體的各表面，同時(shí)也消除了隱藏面由遠(yuǎn)及近地繪制物體的各表面，同時(shí)也消除了隱藏面 優(yōu)點(diǎn)：簡單易行，可作為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法的基礎(chǔ)用缺點(diǎn)：平畫相交或重疊時(shí)候，無法真確排序油畫算法 （image space）基本思想基本思想: :將投影到顯示屏上的每一個(gè)象素所對應(yīng)的多邊形表面的深度進(jìn)行比較，取最靠近視點(diǎn)的表面的屬性值作為該像素的屬性值向深度緩沖區(qū)算

20、法ZCatmull在1975年提出該算法，適用于正投影時(shí)的消隱處理 用Z Zbufferbuffer記錄該表面在該像素點(diǎn)的深度深度用frameframebufferbuffer記錄該表面在該像素點(diǎn)的顏色或亮度值顏色或亮度值（image space）基本思想：基本思想：在圖像空間中按掃描線從上到下的順序來處理在圖像空間中按掃描線從上到下的順序來處理所顯示的對象，將三維問題簡化成二維問題所顯示的對象，將三維問題簡化成二維問題掃描線算法缺點(diǎn)缺點(diǎn)在每一個(gè)被多邊形覆蓋像素處需要計(jì)算深度值被多個(gè)多邊形覆蓋的像素需要多次計(jì)算深度值（image space）分離分離內(nèi)含內(nèi)含相交相交包圍包圍算法Warnock基

21、本思想基本思想: :觀察整個(gè)窗口區(qū)域觀察整個(gè)窗口區(qū)域判別窗口是否單純判別窗口是否單純 窗口內(nèi)窗口內(nèi)無任何可見物體無任何可見物體 窗口窗口已被一個(gè)可見面片完全充滿已被一個(gè)可見面片完全充滿將非單純的窗口四等分為四個(gè)子窗口將非單純的窗口四等分為四個(gè)子窗口對每個(gè)子窗口再進(jìn)一步判別是否單純對每個(gè)子窗口再進(jìn)一步判別是否單純直到窗口單純或窗口邊長已縮至一個(gè)象素點(diǎn)為止直到窗口單純或窗口邊長已縮至一個(gè)象素點(diǎn)為止 第五節(jié). 圖形的光照處理技術(shù) 光照處理的基本原理 光照處理的基本算法 陰影的處理 采用消隱技術(shù)消除了隱藏線和隱藏面后，圖形沒有了二義性問題，但要?jiǎng)?chuàng)造真實(shí)感圖形需要光照處理技術(shù)。 光照處理是繪制真實(shí)感圖形

22、所需的重要技術(shù)之一光照處理方法是對真實(shí)世界的一種近似模擬 光照處理的基本原理光照處理的基本原理光照處理光照處理目的目的是希望光照射在物體上是希望光照射在物體上模擬眼睛看物體的效果模擬眼睛看物體的效果 物體吸收某些波長的光，而反射物體吸收某些波長的光，而反射或折射其它波長的光，則物體呈現(xiàn)或折射其它波長的光，則物體呈現(xiàn)某種顏色。某種顏色。 從物體表面反射或折射出來的從物體表面反射或折射出來的光的強(qiáng)度取決于光源的性質(zhì)、物體光的強(qiáng)度取決于光源的性質(zhì)、物體的表面性質(zhì)、周圍環(huán)境、視點(diǎn)位置的表面性質(zhì)、周圍環(huán)境、視點(diǎn)位置以及不同人對光的感覺差異等諸多以及不同人對光的感覺差異等諸多因素。因素。 對物體進(jìn)行光照處

23、理需要建立合適的對物體進(jìn)行光照處理需要建立合適的，并通過顯示算法，并通過顯示算法將物體在顯示器上顯示出來。將物體在顯示器上顯示出來。 光的亮度由光的強(qiáng)度決定，光的顏色由波長決定光的亮度由光的強(qiáng)度決定，光的顏色由波長決定 點(diǎn)光源點(diǎn)光源的幾何形狀為一個(gè)點(diǎn)，位的幾何形狀為一個(gè)點(diǎn)，位于空間的某個(gè)位置向周圍所有方向于空間的某個(gè)位置向周圍所有方向上輻射等強(qiáng)度光上輻射等強(qiáng)度光 在點(diǎn)光源的照射下，物體表面在點(diǎn)光源的照射下，物體表面的不同部分亮度不同，亮度的大小的不同部分亮度不同，亮度的大小依賴于它的朝向以及它與點(diǎn)光源之依賴于它的朝向以及它與點(diǎn)光源之間的距離間的距離 光照處理模型常通過點(diǎn)光源照射物體說明光照處理

24、模型常通過點(diǎn)光源照射物體說明: : 光源發(fā)光照射在物體上，然后傳遞到光源發(fā)光照射在物體上，然后傳遞到人的眼里，實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)光照系統(tǒng)人的眼里，實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)光照系統(tǒng) 理想鏡面反射LNPRV一般光滑表面鏡面反射LNPRLNPR粗糙表面鏡面反射 光滑的物體表面(如金屬、塑料)在點(diǎn)光源的照射下會形成一塊特別亮的區(qū)域，即所謂的“高光”，它是物體表面對入射光進(jìn)行鏡面反射引起的 鏡面反射遵循反射定律，反射光與入射光位于表面法向兩側(cè)。鏡面反射的光強(qiáng)取決于入射光的角度、波長和反射表面的材料性質(zhì) 光照處理是模擬光線照射在物體上，物體反映出來的感觀光照處理是模擬光線照射在物體上，物體反映出來的感觀效應(yīng)，通過必

25、要的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)際物體在計(jì)算機(jī)上的虛擬。效應(yīng)，通過必要的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)際物體在計(jì)算機(jī)上的虛擬。 光線照射到表面粗糙、無光澤的物體上，光線照射到表面粗糙、無光澤的物體上，物體表面表現(xiàn)為漫反射形式，即光線沿各不同物體表面表現(xiàn)為漫反射形式，即光線沿各不同方向都做相同的散射。方向都做相同的散射。 從各個(gè)角度觀察，物體都有相同的亮度從各個(gè)角度觀察，物體都有相同的亮度 光照處理是模擬光線照射在物體上，物體反映出來的感觀光照處理是模擬光線照射在物體上，物體反映出來的感觀效應(yīng)，通過必要的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)際物體在計(jì)算機(jī)上的虛擬。效應(yīng)，通過必要的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)際物體在計(jì)算機(jī)上的虛擬。 nspsKIIcos式中Ks是與物體有關(guān)的鏡

26、面反射系數(shù)，為視線方向V與反射方向R的夾角，n為反射指數(shù) 光照處理是模擬光線照射在物體上，物體反映出來的感觀光照處理是模擬光線照射在物體上，物體反映出來的感觀效應(yīng)，通過必要的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)際物體在計(jì)算機(jī)上的虛擬。效應(yīng)，通過必要的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)際物體在計(jì)算機(jī)上的虛擬。 2, 0cosdpdKII式中： Id漫反射的亮度；IP點(diǎn)光源的亮度； Kd漫反射系數(shù)； 入射角。 dI 光線在場景中經(jīng)過復(fù)雜光線在場景中經(jīng)過復(fù)雜的傳播之后，形成彌漫于的傳播之后，形成彌漫于整個(gè)空間的光線，稱為整個(gè)空間的光線，稱為環(huán)環(huán)境光境光( (或或泛光泛光 ) )。 環(huán)境光使沒有光源的環(huán)境光使沒有光源的直接照射的景物表面仍有直接照射的

27、景物表面仍有一定的亮度而可見。一定的亮度而可見。 環(huán)境光在空間中近似地均勻分布，即在任何位置、環(huán)境光在空間中近似地均勻分布，即在任何位置、任何方向上，強(qiáng)度都一樣。環(huán)境光通常由多個(gè)物體經(jīng)任何方向上，強(qiáng)度都一樣。環(huán)境光通常由多個(gè)物體經(jīng)多重反射形成，因而無法精確地計(jì)算光強(qiáng)。多重反射形成，因而無法精確地計(jì)算光強(qiáng)。 光照處理是模擬光線照射在物體上，物體反映出來的感觀光照處理是模擬光線照射在物體上，物體反映出來的感觀效應(yīng)，通過必要的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)際物體在計(jì)算機(jī)上的虛擬效應(yīng)，通過必要的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)際物體在計(jì)算機(jī)上的虛擬 Ie=IaKa式中式中IeIe為物體表面所呈現(xiàn)的亮為物體表面所呈現(xiàn)的亮度，度，IaIa為環(huán)境光

28、的光強(qiáng)，為環(huán)境光的光強(qiáng)，KaKa為為物體對環(huán)境光的反射系數(shù)物體對環(huán)境光的反射系數(shù) 光照效果：地面地面背景背景墻墻面面六六邊邊形形圓環(huán)圓環(huán)方方錐錐球體球體圓圓柱體柱體材材質(zhì)質(zhì)效果效果物件物件光照處理的基本算法 彎曲表面物體，可以用其曲面方程算出每點(diǎn)的彎曲表面物體，可以用其曲面方程算出每點(diǎn)的法線，然后按光照強(qiáng)度的計(jì)算模型計(jì)算每一點(diǎn)的法線，然后按光照強(qiáng)度的計(jì)算模型計(jì)算每一點(diǎn)的亮度進(jìn)行表達(dá)亮度進(jìn)行表達(dá)問題問題：1. 1. 運(yùn)算量相當(dāng)大運(yùn)算量相當(dāng)大 2. 2. 很多曲面無法用合適的方程表示很多曲面無法用合適的方程表示 通常仍然用通常仍然用多面體來逼近多面體來逼近的方法模擬曲面物體的方法模擬曲面物體平面多

29、面體表面上各點(diǎn)亮度計(jì)算通常用二種基本算法平面多面體表面上各點(diǎn)亮度計(jì)算通常用二種基本算法: : 整個(gè)多邊形只算出一個(gè)單獨(dú)的亮度值，用這整個(gè)多邊形只算出一個(gè)單獨(dú)的亮度值，用這個(gè)亮度顯示物體上多邊形所在的那個(gè)面?zhèn)€亮度顯示物體上多邊形所在的那個(gè)面這種方法只適合在特定條件這種方法只適合在特定條件: :1. 1. 考慮點(diǎn)光源照射時(shí)，總假定點(diǎn)光源和觀考慮點(diǎn)光源照射時(shí)，總假定點(diǎn)光源和觀察點(diǎn)離物體表面足夠遠(yuǎn)察點(diǎn)離物體表面足夠遠(yuǎn)2. 2. 物體表面僅暴露于背景光下，沒有表面物體表面僅暴露于背景光下，沒有表面圖案、紋理或者陰影時(shí)，才會產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)圖案、紋理或者陰影時(shí)，才會產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果果陰影的處理陰影的處理 陰影是由于物體遮擋光源的光線而形成陰影是由于物體遮擋光源的光線而形成的，有助于顯示畫面中各物體之間的空間的，有助于顯示畫面中各物體之間的空間位置及深度關(guān)系，使人感到物體的遠(yuǎn)近深位置及深度關(guān)系，使人感到物體的遠(yuǎn)近深淺，極大增加畫面的真實(shí)感。淺，極大增加畫面的真實(shí)感。 陰影一般由兩部分組成：陰影一般由兩部分組成：本影本影和和半影半影本半?yún)^(qū)影區(qū)影區(qū)影無本影本影：