計(jì)算機(jī)圖形學(xué)真實(shí)感圖形繪制

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)真實(shí)感圖形繪制計(jì)算機(jī)圖形學(xué)真實(shí)感圖形繪制3p 真實(shí)感圖形繪制：通過綜合利用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)以及心理學(xué)等知識(shí)在計(jì)算機(jī)圖形輸出設(shè)備上繪制出能夠以假亂真的美麗景象。p 光強(qiáng)（度）：描述物體表面朝某方向輻射光的顏色，它既能表示光能大小又能表示其色彩組成的物理量。基本概念4p 光照模型（Illumination model），也稱明暗模型，主要用于物體表面某點(diǎn)處的光強(qiáng)度計(jì)算。n 簡(jiǎn)單的光照模型n 復(fù)雜的光照模型基本概念5p 真實(shí)感圖形繪制過程 根據(jù)假定的光照條件和景物外觀因素，依據(jù)一定的光照模型，計(jì)算可見面投射到觀察者眼中的光強(qiáng)度大小，并將它轉(zhuǎn)換成適合圖形設(shè)備的顏色值，生成投影畫面上每一

2、個(gè)象素的光強(qiáng)度，使觀察者產(chǎn)生身臨其境的感覺?；靖拍?p 真實(shí)感圖形繪制步驟n 在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行場(chǎng)景造型；n 進(jìn)行取景變換和透視變換；n 進(jìn)行消隱處理；n 進(jìn)行真實(shí)感圖形繪制?；靖拍?p 簡(jiǎn)單光照模型p 環(huán)境光p 漫反射光p 鏡面反射光p 光強(qiáng)衰減p 顏色處理10.1 簡(jiǎn)單光照模型8p 簡(jiǎn)單光照模型中只考慮反射光的作用。p 反射光由環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光三部分組成。簡(jiǎn)單光照模型9p 特點(diǎn)：照射在物體上的光來自周圍各個(gè)方向，又均勻地向各個(gè)方向反射。p P點(diǎn)對(duì)環(huán)境光的反射強(qiáng)度為環(huán)境光（Background Light）圖1 環(huán)境光的反射10p 一個(gè)粗糙的、無光澤的表面呈現(xiàn)為漫反射。p 特點(diǎn)：

3、光源來自一個(gè)方向，反射光均勻地射向各個(gè)方向。p 由Lambert余弦定理可得點(diǎn)P處漫反射光的強(qiáng)度為：漫反射光（Diffuse Reflection）圖2 漫反射11p 若L和N都已規(guī)格化為單位矢量，則有漫反射光（Diffuse Reflection）圖2 漫反射12p 對(duì)于彩色漫反射光（Diffuse Reflection）p 對(duì)于多個(gè)漫反射光源13p 鏡面反射遵循反射定律，入射光和反射光分別位于表面法矢的兩側(cè)。p 如果觀察者正好處在P點(diǎn)的鏡面反射方向上，就會(huì)看到一個(gè)比周圍亮得多的高光點(diǎn)。鏡面反射光圖3 鏡面反射14p 鏡面反射情況由Phong模型給出：鏡面反射光圖3 鏡面反射p 若R和V已規(guī)

4、格化為單位矢量，則：15p 從視點(diǎn)觀察到物體上任一點(diǎn)P處的光強(qiáng)度I應(yīng)為環(huán)境光反射光強(qiáng)度Ie、漫反射光強(qiáng)度Id以及鏡面反射光的光強(qiáng)度Is的總和：物體表面光強(qiáng)計(jì)算16p 光在傳播的過程中，其能量會(huì)發(fā)生衰減。光照模型中必須考慮光強(qiáng)衰減，否則會(huì)影響生成圖形的真實(shí)效果。p 光強(qiáng)的衰減可以采用常數(shù)衰減、一次函數(shù)衰減和二次函數(shù)衰減等。光強(qiáng)衰減17p 常用的二次衰減函數(shù)光強(qiáng)衰減18p 選擇顏色模型（color model）n 面向硬件的顏色模型：RGB、CYMn 面向視覺感知的顏色模型：HSIp 為顏色分量指定光照模型顏色19p 以RGB顏色模型為例n 環(huán)境光強(qiáng)度：n 入射光強(qiáng)度：n 環(huán)境光反射系數(shù)：n 漫反

5、射系數(shù)：n 鏡面反射系數(shù)：顏色20p 光強(qiáng)計(jì)算公式：顏色21p 恒定光強(qiáng)p Gouraud明暗處理p Phong明暗處理 基于簡(jiǎn)單光照模型的多邊形繪制22p 只用一種顏色繪制整個(gè)多邊形n 光源在無窮遠(yuǎn)處，則多邊形上所有點(diǎn)的LN為常數(shù)，衰減函數(shù)也是一個(gè)常數(shù)。n 視點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處，則多邊形上所有點(diǎn)的VR為常數(shù)。n 多邊形是景物表面的精確表示，即不是一個(gè)含曲線面景物的近似表示。恒定光強(qiáng)23p Gouraud明暗處理方法，又稱為亮度插值明暗處理，它通過對(duì)多邊形頂點(diǎn)顏色進(jìn)行線性插值來繪制其內(nèi)部各點(diǎn)，其步驟為：n 計(jì)算每個(gè)多邊形頂點(diǎn)處的平均單位法矢量；n 對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)根據(jù)簡(jiǎn)單光照模型來計(jì)算其光強(qiáng)；n 在多邊形

6、表面上將頂點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行線性插值。Gouraud明暗處理24p 雙線性插值方法Gouraud明暗處理圖4 Gouraud 明暗處理的雙線性插值25p Phong明暗處理方法，又稱為法矢量插值明暗處理，它對(duì)多邊形頂點(diǎn)的法矢量進(jìn)行插值以產(chǎn)生中間各點(diǎn)的法矢量，其步驟為：n 計(jì)算每個(gè)多邊形頂點(diǎn)處的平均單位法矢量；n 用雙線性插值方法求得多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的法矢量。n 最后按光照模型確定多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的光強(qiáng)。Phong明暗處理26p 矢量雙線性插值方法Phong明暗處理圖5 Phong明暗處理的矢量雙線性插值27 透明處理圖6 透明表面的光強(qiáng)包括反射光和折射光28透明處理圖7 簡(jiǎn)單的透明處理29透明處理圖8 光

7、的折射30 產(chǎn)生陰影p 陰影是由于物體截?cái)嗔斯饩€而產(chǎn)生的，所以如果光源位于物體一側(cè)的話，陰影總是位于物體的另一側(cè)，也就是與光源相反的一側(cè)。p 從理論上來說，從視點(diǎn)以及從光源看過去都是可見的面不會(huì)落在陰影中，只有那些從視點(diǎn)看過去是可見的，而從光源看過去是不可見的面，肯定落在陰影之內(nèi)。31產(chǎn)生陰影p 產(chǎn)生具有陰影的圖形繪制算法n 將視點(diǎn)移到光源位置，用多邊形區(qū)域排序消隱算法，將多邊形分成兩大類：向光多邊形和背光多邊形。n 將視點(diǎn)移到原來的觀察位置，對(duì)向光多邊形和背光多邊形進(jìn)行消隱，并選用一種光照模型計(jì)算多邊形的亮度，就可得到有陰影效果的圖形。32 模擬景物表面細(xì)節(jié)p 顏色紋理：通過顏色色彩或明暗度

8、的變化體現(xiàn)出來的表面細(xì)節(jié)。p 幾何紋理：由于不規(guī)則的細(xì)小凹凸造成的。p 顏色紋理取決于物體表面的光學(xué)屬性，而幾何紋理由物體表面的微觀幾何形狀決定。33 模擬景物表面細(xì)節(jié)p 用多邊形模擬表面細(xì)節(jié)p 紋理的定義和映射p 凹凸映射34多邊形模擬表面細(xì)節(jié)p 簡(jiǎn)單地模擬景物表面細(xì)節(jié)的方法是用多邊形，稱為表面圖案多邊形，來模擬紋理的結(jié)構(gòu)和模式。p 處理時(shí)，首先根據(jù)待生成的顏色紋理構(gòu)造表面圖案多邊形，然后將表面圖案多邊形覆蓋到物體的表面上。35紋理映射和定義p 生成顏色紋理的一般方法，是預(yù)先定義紋理模式，然后建立物體表面的點(diǎn)與紋理模式的點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)。當(dāng)物體表面的可見點(diǎn)確定之后，以紋理模式的對(duì)應(yīng)點(diǎn)參與光照模型

9、進(jìn)行計(jì)算，就可把紋理模式附到物體表面上。這種方法稱為紋理映射（Texture Mapping）。36紋理映射和定義圖9 紋理映射中紋理空間、物體空間和像素空間的變換37紋理映射和定義圖10 由像素空間向紋理空間的映射38凹凸映射p 1978年，Blinn提出了一種無需修改表面幾何模型，即能模擬表面凹凸不平效果的有效方法凹凸映射技術(shù)（Bump Mapping）。39 整體光照模型與光線跟蹤p 整體光照模型p Whitted光照模型p 光線跟蹤算法40整體光照模型p 一個(gè)完整的光照明模型應(yīng)該包括由光源和環(huán)境引起的漫反射分量、鏡面反射分量、規(guī)則透射分量以及漫透射分量等。n 僅考慮由光源引起的漫反射分

10、量和鏡面反射分量，而環(huán)境反射分量則簡(jiǎn)單地用一常數(shù)來代替，這類光照模型稱為局部光照模型。n 能同時(shí)模擬光源和環(huán)境照明效果的光照模型稱為整體光照模型。41Whitted光照模型p Whitted在簡(jiǎn)單光照模型中增加了環(huán)境鏡面反射光和環(huán)境規(guī)則透射光，以模擬周圍環(huán)境的光投射在景物表面上產(chǎn)生的理想鏡面反射和規(guī)則透射現(xiàn)象。圖11 物體表面的鏡面反射和投射42光線跟蹤算法p 光線跟蹤（Ray Tracing）方法基于幾何光學(xué)的原理，通過模擬光的傳播路徑來確定反射、折射和陰影等。圖12 光線跟蹤算法43光線跟蹤算法步驟p 從視點(diǎn)出發(fā)，確定穿過每個(gè)像素中心的光線路徑，然后，沿這束光線累計(jì)光強(qiáng)，并將最終值賦給相應(yīng)

11、像素。p 對(duì)于每一像素光線，對(duì)場(chǎng)景中的所有物體表面進(jìn)行測(cè)試以確定其是否與該光線相交，并計(jì)算出交點(diǎn)的深度，深度最大（z值）的交點(diǎn)即為該像素對(duì)應(yīng)的可見點(diǎn)。然后，繼續(xù)考察通過該可見點(diǎn)的從屬光線（Secondary Rays）。44光線跟蹤算法步驟p 對(duì)每條從屬光線重復(fù)過程：與場(chǎng)景中的所有物體求交。然后遞歸地在沿從屬光線方向最近的物體表面上生成下一折射和反射光線。當(dāng)由每個(gè)像素出發(fā)的光線在場(chǎng)景中被反射和折射時(shí)，逐個(gè)將相交物體表面加入到一個(gè)二叉光線跟蹤樹中。當(dāng)樹中的一束光線到達(dá)預(yù)定的最大深度或到達(dá)某光源時(shí)，就停止跟蹤。45光線跟蹤算法步驟圖13 光線跟蹤及光線跟蹤樹46光線跟蹤算法步驟p 可以從光線跟蹤樹

12、的葉結(jié)點(diǎn)開始，累計(jì)光強(qiáng)貢獻(xiàn)以確定某像素處的光強(qiáng)大小。樹中每個(gè)結(jié)點(diǎn)的光強(qiáng)由樹中的子結(jié)點(diǎn)處繼承而來，但光強(qiáng)大小隨距離而衰減。像素光強(qiáng)是光線樹根結(jié)點(diǎn)處的衰減光強(qiáng)的總和。47光線跟蹤反走樣p 將光線跟蹤算法與過采樣方式結(jié)合起來，可歸納如下：（1）對(duì)每一像素的角點(diǎn)計(jì)算光線跟蹤的光強(qiáng)。（2）比較像素4個(gè)角點(diǎn)的光強(qiáng)，確定要進(jìn)行細(xì)分的像素。（3）對(duì)細(xì)分后新增的角點(diǎn)計(jì)算光線跟蹤的光強(qiáng)。然后，重復(fù)（2）和（3），直到各角點(diǎn)的光強(qiáng)比較接近為止。（4）加權(quán)平均求出投影平面上各像素點(diǎn)的光強(qiáng)。48 OpenGL中的光照處理p 點(diǎn)光源p 全局光照p 表面材質(zhì)p 透明處理49點(diǎn)光源p 在OpenGL場(chǎng)景描述中可以包含多個(gè)點(diǎn)光

13、源，光源的各種屬性設(shè)置使用下面的函數(shù)指定。 void glLightif (GLenum light, GLenum pname, TYPE param); void glLightifv (GLenum light, GLenum pname, TYPE *param);50點(diǎn)光源pname取值默認(rèn)值含義GL_AMBIENT(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)光源中環(huán)境光分量GL_DIFFUSE(1.0, 1.0, 1.0, 1.0) 或(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)光源中漫反射光分量GL_SPECULAR(1.0, 1.0, 1.0, 1.0) 或(0.0, 0.0, 0.0

14、, 1.0)光源中鏡面光分量GL_POSITION(0.0, 0.0, 1.0, 0.0)光源的坐標(biāo)位置GL_SPOT_DIRECTION(0.0, 0.0, -1.0)光源聚光燈方向矢量GL_SPOT_EXPONENT(0.0)聚光指數(shù)GL_SPOT_CUTOFF180.0聚光截止角GL_CONSTANT_ATTENUATION1.0固定衰減因子GL_LINEAR_ATTENUATION0.0線性衰減因子GL_QUADRATIC_ATTENUATION0.0二次衰減因子51點(diǎn)光源p 點(diǎn)光源的顏色p 點(diǎn)光源的位置和類型p 聚光燈p 光強(qiáng)度衰減52點(diǎn)光源p 在OpenGL中，必須明確啟用或禁用光

15、照。默認(rèn)情況下，不啟用光照，此時(shí)使用當(dāng)前顏色繪制圖形，不進(jìn)行法線矢量、光源、光照模型、材質(zhì)屬性的相關(guān)的計(jì)算。要啟用光照，可以使用函數(shù)：glEnable(GL_LIGHTING);p 指定了光源的參數(shù)后，需要使用函數(shù)啟用light指定的光源：glEnable(light);53OpenGL全局光照p 在OpenGL中，下面的函數(shù)用于指定全局光照 void glLightModeif (GLenum pname，TYPE param); void glLightModeifv (GLenum pname，TYPE *param);pname取值默認(rèn)值含義GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT

16、(0.2, 0.2, 0.2, 1.0)整個(gè)場(chǎng)景的環(huán)境光成分GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWERGL_FALSE如何計(jì)算鏡面反射角GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDEGL_FALSE單面光照還是雙面光照GL_LIGHT_MODEL_COLOR_CONTROLGL_SINGLE_COLOR鏡面反射顏色是否獨(dú)立于環(huán)境顏色、散射顏色54OpenGL材質(zhì)屬性p 在OpenGL中，下面的函數(shù)用于指定材質(zhì)屬性 void glMaterialif (GLenum face, GLenum pname, TYPE param); void glMaterialifv (GLenum

17、 face, GLenum pname, TYPE *param);pname取值默認(rèn)值含義GL_AMBIENT(0.2, 0.2, 0.2, 1.0)材質(zhì)對(duì)環(huán)境光的反射系數(shù)GL_DIFFUSE(0.8, 0.8, 0.8, 1.0)材質(zhì)對(duì)漫射光的反射系數(shù)GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE材質(zhì)對(duì)環(huán)境光和漫射光的反射系數(shù)GL_SPECULAR(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)材質(zhì)對(duì)鏡面光的反射系統(tǒng)GL_SHININESS0.0鏡面反射指數(shù)GL_EMISSION(0.0, 0.0, 0.1, 1.0)材質(zhì)的發(fā)射光顏色GL_COLOR_INDEXS(0, 1, 1)環(huán)境顏色索引、漫反

18、射顏色索引和鏡面反射顏色索引55OpenGL材質(zhì)屬性p OpenGL提供顏色材質(zhì)模式： glEnable(GL_COLOR_MATERIAL); void glColorMaterial (GLenum face, GLenum mode);p 顏色材質(zhì)模式中，可以通過glColor函數(shù)來指定物體表面的顏色，而相應(yīng)的材質(zhì)屬性將通過顏色值和光源的RGB值計(jì)算出來。56透明處理p OpenGL中使用混合實(shí)現(xiàn)透明處理。p 混合操作是指將輸入對(duì)象（源）的顏色值與當(dāng)前存儲(chǔ)在幀緩存中的像素（目標(biāo)）顏色值合并的過程。57透明處理p 開啟混合操作glEnable(GL_BLEND);p 指定計(jì)算源因子和目標(biāo)因

19、子的計(jì)算方式 void glBlendFunc(GLenum srcfactor, GLenum destfactor);58透明處理常量RGB混合因子alpha混合因子GL _ZERO(0, 0, 0)0GL_ONE(1, 1, 1)1GL_SRC_COLOR(Rs, Gs, Bs)AsGL_ONE_MINUS_SRC_COLOR(1, 1, 1)- (Rs, Gs, Bs)1-AsGL_DST_COLOR(Rd, Gd, Bd)AdGL_ONE_MINUS_DST_COLOR(1, 1, 1)- (Rd, Gd, Bd)1-AdGL _SRC_ALPHA(As, As, As)AsGL_O

20、NE_MINUS_SRC_ALPHA(1, 1, 1)- (As, As, As)1-AsGL_DST_ALPHA(Ad, Ad, Ad)AdGL_ONE_MINUS_DST_ALPHA(1, 1, 1)- (Ad, Ad, Ad)1-AdGL_CONSTANT_COLOR(Rc, Gc, Bc)AcGL_ONE_MINUS_CONSTANT_COLOR(1, 1, 1)- (Rc, Gc, Bc)1-AcGL_CONSTANT_ALPHA(Ac, Ac, Ac)AcGL_ONE_MINUS_CONSTANT_ALPHA(1, 1, 1)- (Ac, Ac, Ac)1-AcGL_SRC_ALPHA_SATUR