第12講 光照明模型

1、n 對自然界復(fù)雜光照的抽象和近似描述對自然界復(fù)雜光照的抽象和近似描述第12講 光照明模型第12講 光照明模型一 簡單光照明模型簡單光照明模型n基礎(chǔ)知識(shí)nPhong光照明模型n增量式光照明模型n陰影的生成Phong光照明模型光源的種類n點(diǎn)光源點(diǎn)光源:如果光源大小比場景中的物體小得多，可如果光源大小比場景中的物體小得多，可以假定光線是從一個(gè)點(diǎn)向四周均勻發(fā)散的，它是以假定光線是從一個(gè)點(diǎn)向四周均勻發(fā)散的，它是發(fā)光體最簡單的模型。發(fā)光體最簡單的模型。n線光源線光源:以看作是多個(gè)點(diǎn)光源在一維空間上的合成，以看作是多個(gè)點(diǎn)光源在一維空間上的合成，例如模擬熒光燈管這類長條形的光源。例如模擬熒光燈管這類長條形的光

2、源。n面光源面光源:即可以看作線光源在高一維空間的合成，即可以看作線光源在高一維空間的合成，也可看作點(diǎn)光源在二維空間的合成。它可以用來也可看作點(diǎn)光源在二維空間的合成。它可以用來模擬發(fā)光的塊狀物體，例如燒紅的鐵塊。模擬發(fā)光的塊狀物體，例如燒紅的鐵塊。環(huán)境光n環(huán)境光（環(huán)境光（ambient lightambient light）：）：是鄰近各物體所產(chǎn)生是鄰近各物體所產(chǎn)生的光的多次反射最終達(dá)到平衡時(shí)的一種光，環(huán)境的光的多次反射最終達(dá)到平衡時(shí)的一種光，環(huán)境光是指光源間接對物體的影響。光是指光源間接對物體的影響。n例如，透過厚厚云層的陽光就可以稱為環(huán)境光，例如，透過厚厚云層的陽光就可以稱為環(huán)境光，n室內(nèi)

3、環(huán)境光即為墻壁、天花板、地板及室內(nèi)各物室內(nèi)環(huán)境光即為墻壁、天花板、地板及室內(nèi)各物體之間光的多次反射結(jié)果。體之間光的多次反射結(jié)果。n可近似地認(rèn)為其光強(qiáng)分布是均勻的，抽象為單一可近似地認(rèn)為其光強(qiáng)分布是均勻的，抽象為單一的強(qiáng)度值，它在任何一個(gè)方向上的分布都相同，的強(qiáng)度值，它在任何一個(gè)方向上的分布都相同，統(tǒng)一地影響場景中所有物體的所有表面。統(tǒng)一地影響場景中所有物體的所有表面。物體上某點(diǎn)的光強(qiáng)可以表示物體上某點(diǎn)的光強(qiáng)可以表示環(huán)境光環(huán)境光n一個(gè)可見物體在只有環(huán)境光的照射下其各一個(gè)可見物體在只有環(huán)境光的照射下其各點(diǎn)的明暗程度均一樣，并讓沒有受到光源點(diǎn)的明暗程度均一樣，并讓沒有受到光源直接照射的地方也有明亮度

4、，區(qū)分不出哪直接照射的地方也有明亮度，區(qū)分不出哪處明亮，哪處暗淡。因此，只有環(huán)境光是處明亮，哪處暗淡。因此，只有環(huán)境光是不能產(chǎn)生真實(shí)感圖形的。不能產(chǎn)生真實(shí)感圖形的。漫反射n環(huán)境光是對光照現(xiàn)像的最簡單抽象，因而局限性環(huán)境光是對光照現(xiàn)像的最簡單抽象，因而局限性很大。它僅能描述光線在空間中無方向并均勻散很大。它僅能描述光線在空間中無方向并均勻散布時(shí)的狀態(tài)。很多情況下，入射光是帶有方向的，布時(shí)的狀態(tài)。很多情況下，入射光是帶有方向的，比如典型的陽光。比如典型的陽光。n如果光照射到比較粗糙的物體表面，如粉筆，由如果光照射到比較粗糙的物體表面，如粉筆，由于這些表面從各個(gè)方向等強(qiáng)度地反射光，因而從于這些表面從

5、各個(gè)方向等強(qiáng)度地反射光，因而從各個(gè)視角出發(fā)，物體表面呈現(xiàn)相同的亮度，所看各個(gè)視角出發(fā)，物體表面呈現(xiàn)相同的亮度，所看到的物體表面某點(diǎn)的明暗程度不隨觀測者的位置到的物體表面某點(diǎn)的明暗程度不隨觀測者的位置變化的，這種等同地向各個(gè)方向散射的現(xiàn)象稱為變化的，這種等同地向各個(gè)方向散射的現(xiàn)象稱為光的漫反射光的漫反射漫反射n簡單光照模型模擬物體表簡單光照模型模擬物體表面對光的反射作用。面對光的反射作用。n光源被假定為點(diǎn)光源，其光源被假定為點(diǎn)光源，其幾何形狀為一個(gè)點(diǎn)，向周幾何形狀為一個(gè)點(diǎn)，向周圍所有方向上輻射等強(qiáng)度圍所有方向上輻射等強(qiáng)度的光，在物體表面產(chǎn)生反的光，在物體表面產(chǎn)生反射作用。射作用。漫反射n漫反射光

6、的強(qiáng)度近似地服從于漫反射光的強(qiáng)度近似地服從于LambertLambert定律，定律，即漫反射光的光強(qiáng)僅與入射光的方向和反即漫反射光的光強(qiáng)僅與入射光的方向和反射點(diǎn)處表面法向夾角的余弦成正比。射點(diǎn)處表面法向夾角的余弦成正比。)2/, 0(),cos(dpdKII漫反射IpIp為入射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)物體表面上點(diǎn)物體表面上點(diǎn)P P的法向?yàn)榈姆ㄏ驗(yàn)镹 N從點(diǎn)從點(diǎn)P P指向光源的向量為指向光源的向量為L LKdKd與物體有光的漫反射系數(shù)與物體有光的漫反射系數(shù)漫反射)(NLKIIdpd當(dāng)當(dāng)L L，N N為單位向量時(shí)為單位向量時(shí))2/, 0(),cos(dpdKII漫反射n漫反射的顏色可由入射光的顏色和物體表面

7、漫反射的顏色可由入射光的顏色和物體表面的顏色共同設(shè)定。的顏色共同設(shè)定。n例如，在例如，在RGBRGB顏色模型下，物體的漫反射系顏色模型下，物體的漫反射系數(shù)數(shù)的三元組的三元組( () )分別代表分別代表RGBRGB三原色三原色的漫反射系數(shù)，它們設(shè)定物體顏色，同樣，的漫反射系數(shù)，它們設(shè)定物體顏色，同樣，照射光照射光I I的三元組為的三元組為(I(I) )，通過這，通過這些分量的調(diào)整得到不同的彩色光照效果些分量的調(diào)整得到不同的彩色光照效果鏡面反射n如果光照射到相當(dāng)光滑的表面，就產(chǎn)生鏡如果光照射到相當(dāng)光滑的表面，就產(chǎn)生鏡面反射面反射n鏡面反射的特點(diǎn)是在光滑表面會(huì)產(chǎn)生一塊鏡面反射的特點(diǎn)是在光滑表面會(huì)產(chǎn)生

8、一塊稱之為高光的特亮區(qū)域稱之為高光的特亮區(qū)域n鏡面反射遵循光的反射定律鏡面反射遵循光的反射定律) 2/, 0 (),(cosnspsKII為視線為視線V V與反射方向與反射方向R R的夾角的夾角鏡面反射鏡面反射nspsVRKII)(將將V V和和R R都規(guī)范為單位向量，鏡面反射光強(qiáng)可表示為都規(guī)范為單位向量，鏡面反射光強(qiáng)可表示為 nspdpaaVRKINLKIKII)()(Phong光照明模型Phong光照明模型nspdpaaVRKINLKIKII)()(V V為視線方向?yàn)橐暰€方向在簡單光照明模型中，在簡單光照明模型中，只能通過設(shè)置物體的漫只能通過設(shè)置物體的漫反射系數(shù)來控制物體的反射系數(shù)來控制物

9、體的顏色。顏色。Phong光照明模型nsbpbdbpbababbnsgpgdgpgagaggnsrprdrprararrNHKINLKIKIINHKINLKIKIINHKINLKIKII)()()()()()(Phong光照明模型Phong模型示例Phong光照明模型nPhongPhong光照明模型是真實(shí)感圖形學(xué)中提出的光照明模型是真實(shí)感圖形學(xué)中提出的第一個(gè)有影響的光照明模型第一個(gè)有影響的光照明模型n經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，PhongPhong模型存在不足：模型存在不足：n顯示出的物體象塑料，無質(zhì)感變化顯示出的物體象塑料，無質(zhì)感變化n沒有考慮物體間相互反射光沒有考慮物體間相互反射光n鏡面反射顏色與

10、材質(zhì)無關(guān)鏡面反射顏色與材質(zhì)無關(guān)n鏡面反射大入射角失真現(xiàn)象鏡面反射大入射角失真現(xiàn)象增量式光照明模型n前面討論的光照模型最后的顯示結(jié)果均依賴于物體表面法前面討論的光照模型最后的顯示結(jié)果均依賴于物體表面法向量（向量（N N）的計(jì)算而當(dāng)今流行的三維不規(guī)則幾何物體通常）的計(jì)算而當(dāng)今流行的三維不規(guī)則幾何物體通常是用多邊形（三角形）來近似模擬的。是用多邊形（三角形）來近似模擬的。n由于每一個(gè)多邊形的法向一致，因而多邊形內(nèi)部的象素的由于每一個(gè)多邊形的法向一致，因而多邊形內(nèi)部的象素的顏色都是相同的，而且在不同法向的多邊形鄰接處，光強(qiáng)顏色都是相同的，而且在不同法向的多邊形鄰接處，光強(qiáng)突變，使具有不同光強(qiáng)的兩個(gè)相鄰

11、區(qū)域之間的光強(qiáng)不連續(xù)突變，使具有不同光強(qiáng)的兩個(gè)相鄰區(qū)域之間的光強(qiáng)不連續(xù)性性( (馬赫帶效應(yīng)馬赫帶效應(yīng)) )。為了保證多邊形之間的光滑過渡，使連。為了保證多邊形之間的光滑過渡，使連續(xù)的多邊形呈現(xiàn)勻稱的光強(qiáng)，就需要根據(jù)某種規(guī)則對頂點(diǎn)續(xù)的多邊形呈現(xiàn)勻稱的光強(qiáng)，就需要根據(jù)某種規(guī)則對頂點(diǎn)間的各種信息進(jìn)行加權(quán)平均，即所謂的插值算法。間的各種信息進(jìn)行加權(quán)平均，即所謂的插值算法。增量式光照明模型增量式光照明模型n插值算法的基本思想插值算法的基本思想 在每一個(gè)多邊形的頂點(diǎn)處計(jì)算出光照強(qiáng)在每一個(gè)多邊形的頂點(diǎn)處計(jì)算出光照強(qiáng)度或參數(shù)，然后在各個(gè)多邊形內(nèi)部進(jìn)行均勻度或參數(shù)，然后在各個(gè)多邊形內(nèi)部進(jìn)行均勻插值，得到多邊形的

12、光滑顏色分布插值，得到多邊形的光滑顏色分布n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的兩個(gè)主要算法是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的兩個(gè)主要算法是 Gouraud Gouraud明暗處理明暗處理( (雙線性光強(qiáng)插值算法雙線性光強(qiáng)插值算法) ) Phong Phong明暗處理明暗處理( (雙線性法向插值算法雙線性法向插值算法) )GouraudGouraud明暗處理明暗處理)(121kaNNNkNGouraudGouraud明暗處理明暗處理GouraudGouraud明暗處理明暗處理 GouraudGouraud明暗處理明暗處理1221121441141()()1()()1()()assbsssbbsasabaIIyyIyyyyIIyy

13、IyyyyIIxxIxxxx1I2I3I4IaIbIsI掃描線Y YX XO OGouraudGouraud明暗處理明暗處理PhongPhong明暗處理明暗處理 將鏡面反射引進(jìn)到明暗處理中，將鏡面反射引進(jìn)到明暗處理中， 解決了高光問題。解決了高光問題。PhongPhong明暗處理明暗處理1221121441141()()1()()1()()assbsssbbsasabaNNyyNyyyyNNyyNyyyyNNxxNxxxxPhongPhong明暗處理明暗處理增量式光照明模型陰影的生成陰影的生成Why shadow?n無陰影圖像 An image with shadow陰影的生成n無陰影的物體似

14、乎浮在場景之上無陰影的物體似乎浮在場景之上n陰影則增加了場景的真實(shí)感陰影則增加了場景的真實(shí)感n陰影使場景給人以想象的空間陰影使場景給人以想象的空間n陰影給定了光源與物體在場景中相對位置陰影給定了光源與物體在場景中相對位置的信息的信息陰影的生成n陰影是由于光源被物體遮擋而在該物體后面產(chǎn)生陰影是由于光源被物體遮擋而在該物體后面產(chǎn)生的較暗的區(qū)域。的較暗的區(qū)域。n在真實(shí)感圖形學(xué)中，通過陰影可以反映出物體之在真實(shí)感圖形學(xué)中，通過陰影可以反映出物體之間的相互關(guān)系，增加圖形的立體效果和真實(shí)感。間的相互關(guān)系，增加圖形的立體效果和真實(shí)感。n確定了物體的陰影區(qū)域后，結(jié)合到簡單光照模型，確定了物體的陰影區(qū)域后，結(jié)合

15、到簡單光照模型，對于物體表面的多邊形，如果在陰影區(qū)域內(nèi)部，對于物體表面的多邊形，如果在陰影區(qū)域內(nèi)部，那么該多邊形的光強(qiáng)就只有環(huán)境光，后面的幾項(xiàng)那么該多邊形的光強(qiáng)就只有環(huán)境光，后面的幾項(xiàng)光強(qiáng)都為零，否則就用正常的模型計(jì)算光強(qiáng)。光強(qiáng)都為零，否則就用正常的模型計(jì)算光強(qiáng)。n通過這種方法，就可以把陰影引入簡單光照明模通過這種方法，就可以把陰影引入簡單光照明模型中，使產(chǎn)生的真實(shí)感圖形更有層次感。型中，使產(chǎn)生的真實(shí)感圖形更有層次感。 陰影的生成nShadow polygon(陰影多邊形) : J. F. Blinn. Jim Blinns Corner: Me and My (Fake) Shadow. I

16、EEE Comput. Graph. Appl.,8(1):8286, January 1988.nShadow volume : F. C. Crow. Shadow Algorithms for Computer Graphics. Computer Graphics (Proc. SIGGRAPH77), 11(2):242248, July 1977.nShadow buffer(double buffer) : Lance Williams. Casting Curved Shadows on Curved Surfaces. Computer Graphics (Proc.SIGG

17、RAPH 78), 12(3):270274, 1978.三種基本算法(Three basic shadow algorithms)陰影的生成陰影多邊形Algorithm II: Shadow Buffer(cont.)Algorithm III: Shadow Volume(cont.) 二 局部光照明模型從光電學(xué)知識(shí)和物體微平面假設(shè)出發(fā)，介紹鏡面反射與物體材質(zhì)有關(guān)的普遍局部光照明模型n僅處理光源直接照射物體表面的光照明模型稱為僅處理光源直接照射物體表面的光照明模型稱為局部光照明模型局部光照明模型n可以處理物體之間光照的相互作用的模型稱為整可以處理物體之間光照的相互作用的模型稱為整體光照明模

18、型體光照明模型n簡單光照明模型，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停蛔阒幒唵喂庹彰髂Ｐ?，?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停蛔阒巒鏡面反射項(xiàng)與物體表面的材質(zhì)無關(guān)鏡面反射項(xiàng)與物體表面的材質(zhì)無關(guān)n有必要研究復(fù)雜、普遍的局部光照明模型有必要研究復(fù)雜、普遍的局部光照明模型局部光照明模型n用局部光反射模型生成的各種材質(zhì)的瓶子用局部光反射模型生成的各種材質(zhì)的瓶子局部光照明模型局部光照明模型n理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)n局部光照明模型局部光照明模型理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)兩個(gè)階段：兩個(gè)階段：1 1）從光源到物體表面的過程中的衰減）從光源到物體表面的過程中的衰減2 2）從物體表面到人眼過程中的衰減）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總的效果

19、：物體表面的亮度降低看看光光強(qiáng)強(qiáng)的的衰衰減減動(dòng)動(dòng)畫畫理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)N N理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)irbdEIR局部光照明模型局部光照明模型二二 局部光照明模型局部光照明模型dLNIdIEiii)(cosdLNIRIibdr)(wddscosdsN局部光照明模型局部光照明模型ssddbdRKRKR1sdKK)(ddRR )(),(VNLNDGRs局部光照明模型局部光照明模型)()(ssddiaarRKRKdLNIKII局部光照明模型局部光照明模型簡單與局部模型比較 簡單光照明模型簡單光照明模型(Phong) 局部光照明模型局部光照明模型局部模型的優(yōu)點(diǎn)n相對于簡單光照明模型而言相對于簡單光照明模型而言n

20、基于入射光能量導(dǎo)出的光輻射模型基于入射光能量導(dǎo)出的光輻射模型n反映表面的粗糙度對反射光強(qiáng)的影響反映表面的粗糙度對反射光強(qiáng)的影響n高光顏色與材料的物理性質(zhì)有關(guān)高光顏色與材料的物理性質(zhì)有關(guān)n改進(jìn)改進(jìn)入射角很大時(shí)的失真現(xiàn)象入射角很大時(shí)的失真現(xiàn)象n考慮了物體材質(zhì)的影響，可以模擬磨光的金屬考慮了物體材質(zhì)的影響，可以模擬磨光的金屬光澤光澤三 光透射模型n播放透射動(dòng)畫光透射模型 自然界的許多物體是透明或半透明的。自然界的許多物體是透明或半透明的。n通過透明物體（如玻璃窗），能清楚地看到其后通過透明物體（如玻璃窗），能清楚地看到其后面的物體，此時(shí)，光線會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反射和折射；面的物體，此時(shí)，光線會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反射和

21、折射；n通過半透明物體（如磨砂玻璃窗）只能看到其后通過半透明物體（如磨砂玻璃窗）只能看到其后面模糊的景物，此時(shí)，光線會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反射、折面模糊的景物，此時(shí)，光線會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反射、折射和漫射。射和漫射。n經(jīng)折射后的光線將穿過透明或半透明物體而在它經(jīng)折射后的光線將穿過透明或半透明物體而在它的另一個(gè)面射出，形成所謂的透射光。的另一個(gè)面射出，形成所謂的透射光。 光透射模型nWhitted光透射模型光透射模型nHall光透射模型光透射模型光透射模型光透射模型)()(ttnspdpaaKINHKINLKIKIIWhitted光透射模型光透射模型)()(ssttnspdpaaKIKINHKINLKIKIIWhi

22、tted光透射模型光透射模型)(LNKIIdtpdtHall光透射模型光透射模型 四 整體光照明模型n簡單光照模型不考慮周圍環(huán)境對當(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)雜場景的高質(zhì)量真實(shí)感圖形。n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)則投射對景物表面產(chǎn)生的整體照明效果。整體光照明模型n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n局部光照明模型僅考慮了（1）整體光照明模型n例如：從視點(diǎn)觀察到的物體A表面的亮度來源于三方面的貢獻(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

23、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。n局部光照明模型僅考慮了（1）整體光照明模型n光線跟蹤算法n輻射度方法移移動(dòng)動(dòng)光光源源時(shí)時(shí)光光線線跟跟蹤蹤光線跟蹤算法光線跟蹤算法n對屏幕上每個(gè)像素沿深度方向確定該像素在哪個(gè)多邊形表面上n計(jì)算該區(qū)域上的光強(qiáng)值（通過各頂點(diǎn)插值并計(jì)算而來）。n最后根據(jù)光強(qiáng)值輸出該象素的顏色光線跟蹤算法n光線跟蹤算法是真實(shí)感圖形學(xué)中的主要算法之一，算法具有原理簡單、實(shí)現(xiàn)方便和能夠生成各種逼真的視覺效果等優(yōu)點(diǎn)。n1968年Apple A給出光線跟蹤算法的描述n1979年Kay和Greenberg的研究考慮了光的折射

24、n1980年Whitted提出了第一個(gè)整體光照明Whitted模型，并給出一般性光線跟蹤算法的范例光線跟蹤算法光線跟蹤算法n一 基本原理n二 光線跟蹤算法的加速一 光線跟蹤算法的基本原理n最基本的光線跟蹤算法是跟蹤鏡面反射和折射。n從光源發(fā)出的光遇到景物的表面，發(fā)生反射和折射，光就改變方向，沿著反射方向和折射方向繼續(xù)前進(jìn)，直到遇到新的景物。但是光源發(fā)出光線，經(jīng)反射與折射，只有很少的部分可以進(jìn)入人的眼睛。因此實(shí)際光線跟蹤算法的跟蹤方向與光傳播的方向是相反的，而是視線跟蹤。一 光線跟蹤算法的基本原理n由視點(diǎn)向象素發(fā)出一根射線，與第一個(gè)景物相交后，在其反射與折射方向上進(jìn)行跟蹤。一 光線跟蹤算法的基本

25、原理 在光線跟蹤算法中，涉及4種光線：n1條視線E，是由視點(diǎn)V與屏幕上的像素點(diǎn)(x,y)發(fā)出的射線；n 對每一景物表面上的交點(diǎn)Pi有3條光線： 與光源的連線Si 反射光線Ri 折射光線Ti一 光線跟蹤算法的基本原理n光線跟蹤算法構(gòu)成的光線樹演演示示光光線線跟跟蹤蹤動(dòng)動(dòng)畫畫光線跟蹤終止條件光線跟蹤終止條件 光線射出畫面，不再與場景中的景光線射出畫面，不再與場景中的景物相交物相交 被跟蹤的結(jié)點(diǎn)對屏幕象素顯示光亮被跟蹤的結(jié)點(diǎn)對屏幕象素顯示光亮度的貢獻(xiàn)小于一定閾值度的貢獻(xiàn)小于一定閾值 達(dá)到光線跟蹤的最大深度達(dá)到光線跟蹤的最大深度 一 光線跟蹤算法的基本原理算法描述算法描述1 1由視點(diǎn)向屏幕上所有象素中

26、心發(fā)射光線；由視點(diǎn)向屏幕上所有象素中心發(fā)射光線； 2 2每一根光線與場景中所有景物求交，找到最近每一根光線與場景中所有景物求交，找到最近的交點(diǎn)；的交點(diǎn)； 3 3計(jì)算該點(diǎn)處由光源直接照射產(chǎn)生的光亮度計(jì)算該點(diǎn)處由光源直接照射產(chǎn)生的光亮度I Il l； 4 4若該點(diǎn)處表面為鏡面或透射面，則作遞歸光線若該點(diǎn)處表面為鏡面或透射面，則作遞歸光線跟蹤，計(jì)算周圍環(huán)境通過該點(diǎn)向觀察者方向投跟蹤，計(jì)算周圍環(huán)境通過該點(diǎn)向觀察者方向投射的整體鏡面反射光亮度射的整體鏡面反射光亮度I Ir r和透射光亮度和透射光亮度I It t； 5 5顯示每一象素處的光亮度顯示每一象素處的光亮度 trlIIII一 光線跟蹤算法的基本原

27、理設(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)； 一 光線跟蹤算法的基本原理Color RayTracing(Ray ray, int depth) 求ray與物體表面最近的交點(diǎn)P； if （有交點(diǎn)） 用局部光照明模型計(jì)算P點(diǎn)的Ic； color = Ic; if （depth給定的最大跟蹤層次） 計(jì)算ray的反射光線； Is=RayTracing(反射光線，depth+1）； if （物體是透明的） 計(jì)算ray的透射光線； It=RayTracing(

28、透射光線，depth+1); color = Ic + Is + It ; else color = black； return color ; 優(yōu)點(diǎn)： 能夠方便的產(chǎn)生陰影，模擬鏡面反射與折射現(xiàn)象。 缺點(diǎn)： 計(jì)算量大，每一條光線都要與場景中的物體進(jìn)行求交、計(jì)算光照模型等。一 光線跟蹤算法的基本原理算法分析算法分析1 1求交計(jì)算量占整個(gè)光線跟蹤計(jì)算量求交計(jì)算量占整個(gè)光線跟蹤計(jì)算量90%90%以上以上 減少求交計(jì)算量的方法減少求交計(jì)算量的方法 包圍盒方法包圍盒方法 空間剖分方法空間剖分方法 2 2點(diǎn)采樣容易導(dǎo)致畫面走樣點(diǎn)采樣容易導(dǎo)致畫面走樣 方法：自適應(yīng)超級(jí)采樣方法：自適應(yīng)超級(jí)采樣 基于層次包圍盒

29、的快速光線跟蹤算法基于層次包圍盒的快速光線跟蹤算法 一 光線跟蹤算法的基本原理n基本的光線跟蹤算法，每一條射線都要和所有的物體求交，處理效率低n光線跟蹤加速技術(shù)是實(shí)現(xiàn)光線跟蹤算法的重要組成部分n包括：提高求交速度、減少求交次數(shù)、減少光線條數(shù)、采用廣義光線和采用并行算法等二 光線跟蹤算法的加速二 光線跟蹤算法的加速n包圍盒技術(shù)包圍盒技術(shù)n三維三維DDA算法算法n基于空間剖分基于空間剖分n1 包圍盒技術(shù)n 包圍盒技術(shù)是加速光線跟蹤的基本方法之一，由Clark于1976年提出n 1980年，Rubin和Whitted將它引進(jìn)到光線跟蹤算法之中，加速光線與景物的求交測試二 光線跟蹤算法的加速n基本思想

30、n 用一些形狀簡單的包圍盒將復(fù)雜景物包圍起來，求交的光線首先跟包圍盒進(jìn)行求交測試，若相交，則光線再與景物求交，否則光線與景物必?zé)o交n 利用形狀簡單的包圍盒與光線求交的速度較快來提高算法的效率二 光線跟蹤算法的加速n示意圖二 光線跟蹤算法的加速基于層次包圍盒的快速光線跟蹤算法基于層次包圍盒的快速光線跟蹤算法包圍盒：以簡單的測試代替光線對包圍盒內(nèi)所含景包圍盒：以簡單的測試代替光線對包圍盒內(nèi)所含景物的復(fù)雜求交運(yùn)算物的復(fù)雜求交運(yùn)算目標(biāo)：目標(biāo)： 快速剔除不交的物體快速剔除不交的物體對包圍盒形狀的要求：對包圍盒形狀的要求： 包裹要緊密包裹要緊密 求交測試要簡便求交測試要簡便 二 光線跟蹤算法的加速n層次結(jié)

31、構(gòu)求交測試方法層次結(jié)構(gòu)求交測試方法n測試光線首先進(jìn)入該層次的根節(jié)點(diǎn)，并從根節(jié)點(diǎn)開始，測試光線首先進(jìn)入該層次的根節(jié)點(diǎn)，并從根節(jié)點(diǎn)開始，從上向下與各相關(guān)節(jié)點(diǎn)的包圍盒進(jìn)行求交測試。若一從上向下與各相關(guān)節(jié)點(diǎn)的包圍盒進(jìn)行求交測試。若一節(jié)點(diǎn)的包圍盒與光線有交，則光線將遞歸地與其子節(jié)節(jié)點(diǎn)的包圍盒與光線有交，則光線將遞歸地與其子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行求交測試，否則，該節(jié)點(diǎn)的所有景物均與光線點(diǎn)進(jìn)行求交測試，否則，該節(jié)點(diǎn)的所有景物均與光線無交，該節(jié)點(diǎn)的子樹無需作求交測試無交，該節(jié)點(diǎn)的子樹無需作求交測試二 光線跟蹤算法的加速平行平行2n2n面包圍盒面包圍盒 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 多面體可以較緊密地逼近一個(gè)物體多面體可以較緊密地逼近一個(gè)物體 平面求交計(jì)算較為簡單平面求交計(jì)算較為簡單 同一景物的三種平行包圍體 (a) (b