計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第十章

1、第10章 光照模型與面繪制算法 簡(jiǎn)單光照明模型 多邊形繪制方法 透明 整體觀照明模型第10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影響觀察者看到的表面顏色的因素物體的幾何形狀光源 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 折射性表面光潔度光源幾何性質(zhì)點(diǎn)光源線光源面光源光譜組成白色

2、光等能量的各種波長(zhǎng)可見光的組合彩色光單色光真實(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 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2112sinsin能量關(guān)系在光的反射和折射現(xiàn)

3、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簡(jiǎn)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(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

4、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。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 . 1aI4 . 0aK8 . 0aK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。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，向周圍所有的方向上輻射等強(qiáng)度的光。記其亮度為Ip 點(diǎn)光源的照射：在物體的

5、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.簡(jiǎn)單光照明模型：-漫反射 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, 0cosdpdKIIpIdKdI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簡(jiǎn)單光照明模型-漫反射缺點(diǎn)：對(duì)于許多物體，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。簡(jiǎn)單光照明模型-鏡面反射 鏡面反射 光滑物

6、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。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為反射單位矢量，V為從P指向視點(diǎn)的單位矢量 光滑平面I = Ip K scosna鏡面簡(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

7、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）nspsKIIcosnspsRVKII)(或pI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= Ncosu -L則有R= Ncosu +SLLNNLNR2cos2NRLVSS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)簡(jiǎn)單光照明模型-Phong光照明模型 Phong光照明模型的綜

8、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。)()(nsdpaasdeRVKNLKIKIIIII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 （HN）近似（RV），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 V簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減 光的衰減兩個(gè)階段：

9、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??；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（Depth 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

10、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Sb e0,1）。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簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減 當(dāng)Z0 Zf時(shí)，取S0=Sf 當(dāng)Z0 t,即ti。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)生帶有折射的透明效果呢？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

11、基礎(chǔ)上，Hall光透射模型，考慮了漫透射和規(guī)則透射光整體光照明模型 簡(jiǎn)單光照模型（亦稱局部光照模型）不考慮周圍環(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。 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）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）Witted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：（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ItWitted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