gjlchp10真實(shí)感圖形繪制

1、2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)1第十章 真實(shí)感圖形繪制?簡(jiǎn)單光照明模型?多邊形繪制方法?透明?整體光照明模型?光線跟蹤算法2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)2第十章 真實(shí)感圖形繪制光照模型(Illumination Model):計(jì)算某一點(diǎn)的光強(qiáng)度的模型2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)3真實(shí)感圖形的特點(diǎn)?能反映物體表面顏色和亮度的細(xì)微變化?能表現(xiàn)物體表面的質(zhì)感?能通過(guò)光照下的物體陰影，極大地改善場(chǎng)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2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)4影響觀察者看到的表面顏色的因素物體的幾何形狀光源

2、位置、距離、顏色、數(shù)量、強(qiáng)度、種類環(huán)境遮擋關(guān)系、光的反射與折射、陰影視點(diǎn)位置物性材料、顏色、透明度 折射性表面光潔度2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)5光源幾何性質(zhì)?點(diǎn)光源?線光源?面光源光譜組成?白色光等能量的各種波長(zhǎng)可見(jiàn)光的組合?彩色光?單色光2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)6真實(shí)感圖形學(xué)早期發(fā)展?1967年，Wylie等人第一次在顯示物體時(shí)加進(jìn)光照效果，認(rèn)為光強(qiáng)與距離成反比。?1970年，Bouknight提出第一個(gè)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(gè)有影響的光照明模型2020/6

3、/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)7相關(guān)物理知識(shí)?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光源法向量入射光反射光視線2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)8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入射光折射光?2?1?12sinsin?2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)9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(xiàng)分別表示為入射光強(qiáng)，漫反射光強(qiáng)，鏡面反射光強(qiáng)，透射光強(qiáng)，吸收光強(qiáng)?能量是守恒的idstvIIIII?2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)10簡(jiǎn)單光照明模型模擬物體表面的光照明物理現(xiàn)

4、象的數(shù)學(xué)模型光照明模型簡(jiǎn)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2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)11簡(jiǎn)單光照明模型光照射到物體表面，主要發(fā)生：反射透射（對(duì)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2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)12簡(jiǎn)單光照明模型-環(huán)境光假定物體是不透明的（即無(wú)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(qiáng)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

5、未必相同，因?yàn)樗鼈兊沫h(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。2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)13簡(jiǎn)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(gè)球0 . 1?aI4 . 0?aK8 . 0?aK2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)14簡(jiǎn)單光照明模型-環(huán)境光?缺點(diǎn)：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(gè)恒定的值，沒(méi)有明暗的自然過(guò)度。2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)15簡(jiǎn)單光照明模型?考慮引入點(diǎn)光源。?點(diǎn)光源：幾何形狀為一個(gè)點(diǎn)，位于空間中的某個(gè)位置，向周?chē)械姆较蛏陷椛涞葟?qiáng)度的光。記其亮度為Ip

6、?點(diǎn)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(diǎn)光源之間的距離.2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)16簡(jiǎn)單光照明模型：-漫反射角度余弦的推導(dǎo)?漫反射?粗糙、無(wú)光澤物體（如粉筆）表面對(duì)光的反射?光照明方程?漫反射的亮度?點(diǎn)光源的亮度?漫反射系數(shù)?入射角漫反射光的強(qiáng)度只與入射角有關(guān)2, 0cos?dpdKIIpIdK?dI2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)17簡(jiǎn)單光照明模型-漫反射?將環(huán)境光與漫反射結(jié)合起來(lái)一般取Ia= (0.020.2)Id?例子)(NLKIKIIIIdpaade?2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)18簡(jiǎn)單光照明模型-漫反射缺點(diǎn)：對(duì)于許

7、多物體，使用上式計(jì)算其反射光是可行的，但對(duì)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(huì)產(chǎn)生鏡面發(fā)射。2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)19簡(jiǎn)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(duì)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2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)20簡(jiǎn)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。2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)21簡(jiǎn)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(diǎn)，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

8、量，V為從P指向視點(diǎn)的單位矢量光滑平面I = Ip Kscosna鏡面2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)22簡(jiǎn)單光照明模型-鏡面反射?鏡面反射?Is為鏡面反射光強(qiáng)。點(diǎn)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(yán)重）?nspsKIIcos?nspsRVKII)( ?或pI2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)23簡(jiǎn)單光照明模型-鏡面反射?反射方向計(jì)算?L在N上的投影矢量為Ncosu，則S+L= Ncosu記矢量S=

9、Ncosu-L則有R= Ncosu+S?LLNNLNR?2cos2?NRLV?SS2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)24簡(jiǎn)單光照明模型-Phong光照明模型?簡(jiǎn)單光照明模型模擬物體表面對(duì)光的反射作用,光源為點(diǎn)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)?鏡面反射(Specular Reflection)2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)25簡(jiǎn)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(diǎn)P反射到視點(diǎn)的光強(qiáng)I I為環(huán)境光的反射光強(qiáng)Ie、理想漫反射光強(qiáng)Id、和鏡面反射光Is的總和

10、。)()(nsdpaasdeRVKNLKIKIIIII?2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)26簡(jiǎn)單光照明模型-Phong光照明模型的實(shí)現(xiàn)?對(duì)物體表面上的每個(gè)點(diǎn)P，均需計(jì)算光線的反射方向。為了減少計(jì)算量，假設(shè)：?光源在無(wú)窮遠(yuǎn)處，L為常向量?視點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處，V為常向量?（H?N）近似（R?V），H為L(zhǎng)與V的平分向量N HLRaVbH-L和V的角平分線? 對(duì)所有的點(diǎn)總共只需計(jì)算一次H的值，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)27簡(jiǎn)單光照明模型-Phong光照明模型?Phong模型幾何P PL LN NH HR RV V2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)28簡(jiǎn)單光照明模型-光的

11、衰減?光的衰減兩個(gè)階段：1）從光源到物體表面的過(guò)程中的衰減2）從物體表面到人眼過(guò)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2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)29簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減?光的衰減?光在光源到物體表面過(guò)程中的衰減?光強(qiáng)按 1/d2 進(jìn)行衰減：缺點(diǎn)：當(dāng)d很大時(shí)，變化很小；當(dāng) d很小時(shí)，變化很大。?衰減函數(shù)?光照明方程) 1 ,1min()(2210dcdccdf?)()()(nsdpaaRVKNLKIdfKII?2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)30簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減?光在物體表面到人眼過(guò)程中的衰減?深度暗示（Dep

12、th Cueing）技術(shù)：最初用于線框圖形的顯示，使距離遠(yuǎn)的點(diǎn)比近的點(diǎn)暗一些。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，這種技術(shù)同樣適用于真實(shí)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Sf和Sb（ Sf和Sbe0,1）。給定物體上一點(diǎn)的深度值Z0，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的比例因子S0按如下方式確定前參考面后參考面2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)31簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減?當(dāng)Z0Zf時(shí)，取S0=Sf?當(dāng)Z0?t,即?t?i。如果入射角不斷增大，到一定的程度，折射角?t?90度，此時(shí)透射光線沿著平行于分界面的方向傳播，稱此時(shí)的?i為臨界角度，記為?c。當(dāng)?i ?c時(shí)，發(fā)生全反射，透射與反射光合二為一。?如何產(chǎn)

13、生帶有折射的透明效果呢？2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)67光透射模型的研究?早期簡(jiǎn)單透射現(xiàn)象的模擬?1980年，Whitted光透射模型，首次考慮了光線的折射現(xiàn)象?1983年，在Whitted的基礎(chǔ)上，Hall光透射模型，考慮了漫透射和規(guī)則透射光2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)68整體光照明模型簡(jiǎn)單光照模型（亦稱局部光照模型）不考慮周?chē)h(huán)境對(duì)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(chǎng)景的高質(zhì)量真實(shí)感圖形。為了增加圖形的真實(shí)感，必須考慮環(huán)境的漫射、鏡面反射和規(guī)則投射對(duì)景物表面產(chǎn)生的整體照明效果。2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)69整體光照明模

14、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）2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)70整體光照明模型?例如：從視點(diǎn)觀察到的物體 A表面的亮度來(lái)源于三方面的貢獻(xiàn)：（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)生的。（3）物體B的表面將光反射到物體A的表面，再經(jīng)物體A的表面反射到人眼中產(chǎn)生的。?局部光照明模型僅考慮了（ 1）2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)71Witted光照模型?Whitted光照模型基于如下假設(shè)：?物體表面向視點(diǎn)方向V輻射的光亮度I?由三部分組成

15、：（1）光源直接照射引起的反射光亮度Il?。（2）來(lái)自V的鏡面反射方向R的其它物體反射或折射來(lái)的光的亮度Is?。（3）來(lái)自V的透射方向T的其它物體反射或折射來(lái)的光的亮度It?2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)72Witted光照模型?Witted光照模型：I?= Il?+ Ks Is?+ KtIt?或?Is?為鏡面反射方向的入射光強(qiáng)度；Ks為鏡面反射系數(shù)，為01之間的一個(gè)常數(shù)?It?為折射方向光強(qiáng)，Kt為透射系數(shù)，是0 1之間的常數(shù)?Il?的計(jì)算可采用Phong模型因此，關(guān)鍵是Is和It的計(jì)算。如何計(jì)算呢？?tttssslICKICKII?2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)73Witt

16、ed光照模型-反射、折射方向計(jì)算?已知視線方向V，求其反射方向R與折射方向T（N是表面的法向方向）?視線V的反射方向R?折射方向TNVRLTi?i?t?i?t?VVNNR?)(2INTtiti?)coscos(令2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)74光線跟蹤算法的基本原理?自然界中光線的傳播過(guò)程光源物體表面物體表面人眼?光線跟蹤過(guò)程-光線傳播的逆過(guò)程2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)75光線跟蹤算法的基本原理?從視點(diǎn)向每個(gè)象素發(fā)出一條光線，它與場(chǎng)景中的一些物體表面相交，最近的交點(diǎn)即為可見(jiàn)點(diǎn)，記為P，像素的亮度即由P點(diǎn)的亮度確定。由Whitted光照模型可知，P點(diǎn)的亮度由三部分組成：其中

17、Il?可以直接由局部光照模型計(jì)算得到。2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)76光線跟蹤算法的基本原理?為了求Is?和It?，從P點(diǎn)發(fā)出反射光線和透射光線，它分別交場(chǎng)景中的物體表面于Ps和Pt，Ps和Pt點(diǎn)的亮度即分別為Is?和It?，將它們求出代入Whitted模型即可。但是，Is?和It?同樣由Whitted模型確定，即Whitted模型是一個(gè)遞歸式，從而計(jì)算Is?和It?需要重復(fù)以上的計(jì)算過(guò)程:計(jì)算局部光亮度、發(fā)出反射光線與透射光線?？梢杂靡豢霉饩€樹(shù)來(lái)表示2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)77光線跟蹤算法的基本原理?遞歸終止條件：1、光線不與場(chǎng)景中的任何物體相交2、被跟蹤的光線達(dá)到了

18、給定的層次3、由于Ks和Kt都小于1.0，當(dāng)光線經(jīng)過(guò)反射和折射后，其亮度會(huì)衰減。因此可以預(yù)先設(shè)置一個(gè)閾值，在進(jìn)行光線跟蹤時(shí)，若被跟蹤光線對(duì)像素亮度的貢獻(xiàn)小于這個(gè)閾值，便停止跟蹤。2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)78光線跟蹤算法-算法描述設(shè)置視點(diǎn)，投影平面以及窗口的參數(shù)；For （窗口內(nèi)的每一條掃描線）for （掃描線上的每一個(gè)像素） 確定從視點(diǎn)指向像素中心的光線ray；像素的顏色=RayTracing(ray,1)；2020/6/30浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)79光線跟蹤算法描述Color RayTracing(Ray ray, int depth) 求ray與物體表面最近的交點(diǎn)P；if （有交