圖形學光照及明暗處理學習教案

1、圖形學光照及明暗圖形學光照及明暗(mn n)處理處理第一頁，共74頁。2內容(nirng)Phong 照明模型點光源線光源反射漫反射鏡面反射環(huán)境反射Gouraud 明暗處理Phong 明暗處理陰影第1頁/共74頁第二頁，共74頁。3點光源n為表面法向.n在平面上各點處是相等的s 為光源的方向. s 根據位置的不同不斷改變(gibin),例如, s1 s2 . 光源靠近物體表面時，s的改變(gibin)量變得更大 sns1s2nn第2頁/共74頁第三頁，共74頁。4線光源當光源離得較遠時, s的變化(binhu)將變得不明顯. 當距離變得非常遠時, s在一個表面上保持不變 例如太陽. 被稱為線光

2、源 (或平行光源, 或分散光源.) ssnn第3頁/共74頁第四頁，共74頁。5 令 Ii 為入射光的強度 ,為 s和 n 的夾角大小, 0o 90o. Ii cos 為單位表面區(qū)域接收(jishu)到的光的數量 當 = 0, 入射光垂直于表面。表面 接收(jishu)到的入射光的數量最多 例如： 正午的太陽光 當 = 90o時，它接收(jishu)不到光照。 當 90o 時，光在表面的另一邊， 它也接收(jishu)不到光照。cossncos第4頁/共74頁第五頁，共74頁。6漫反射(fnsh)一個完美的粗糙表面幾乎 可以向所有方向反射(fnsh)光Lambert 余弦定律反射(fnsh)的

3、光的數量為 Id = Rd Ii cosRd ,漫反射(fnsh)系數為：0 Rd 1Id 與視點無關 cos 為s 在 n上的投影. 如果s 和 n 是單位向量,cos = s n (點乘)snsncosMicroscopic view第5頁/共74頁第六頁，共74頁。7衰減 當光遠離表面時，光的強度變弱對于一個點光源, 衰減系數為, d 為到點光源的距離(jl).a, b, 和 c 為以經驗選擇的啟發(fā)式參數 、對于一個定向光源, Af = 121dAf21cdbdaAf( in theory )( in practice )第6頁/共74頁第七頁，共74頁。8漫反射 從一個(y )點光源從

4、一個(y )線光源 Id = Rd Ii cos = Rd Ii (s n)(cos22nscdbdaIRcdbdaIRIididd第7頁/共74頁第八頁，共74頁。9Pure diffuse reflection from directional source pointing (1,1,1)第8頁/共74頁第九頁，共74頁。10鏡面反射平滑(pnghu)的亮的表面對光的反射. 純鏡面反射的例子(l zi)第9頁/共74頁第十頁，共74頁。11鏡面反射一個亮的表面以一個標準的方向反射光r 在跨越 n 和 s的表面上. 它和n的夾角大小與n和s的夾角大小相等(xingdng) . 0o 90o

5、. 當從 v方向觀察表面上的一個點時，光的反射量為：Ii , 入射光強度 Rs , 鏡面反射系數, 0 Rs 1snrkissIRIcossnrv第10頁/共74頁第十一頁，共74頁。12z 為標準反射線 (r) 和視線 (v) 的夾角z 在一個亮表面上, 當 v 偏離 r 時很少能發(fā)現反射光. 當在一個陰暗的表面上, 在v處能發(fā)現更多的光。 這種現象(xinxing)可用 cosk 來建模. k 為物體的反光度。k越大，亮度越高。z cos = r vz 光的衰減的建模與漫反射相同。kissIRIcossnrv第11頁/共74頁第十二頁，共74頁。13-0.200.20.40.60.811.

6、2-2-1.5-1-0.500.511.5250cos-0.200.20.40.60.811.2-2-1.5-1-0.500.511.52-0.200.20.40.60.811.2-2-1.5-1-0.500.511.52-0.200.20.40.60.811.2-2-1.5-1-0.500.511.524cos10coscos第12頁/共74頁第十三頁，共74頁。14鏡面反射 從點光源 從線光源kiskisscdbdaIRcdbdaIRI)(cos22vr kiskissIRIRI)(cosvr 第13頁/共74頁第十四頁，共74頁。15找到反射(fnsh)射線 r, 根據 n 和 sr,

7、n 和 s 為歸一化向量.red_arrow = (n s) nr + s = 2 red_arrow r = 2 (n s) n s rsrsrsn第14頁/共74頁第十五頁，共74頁。16模擬(mn)材質屬性為了提高效率, 在公式中使用(shyng) h n來近似r v。h 被稱為 half-way 向量.h = ( s + v ) / 2snrvhnhvr 第15頁/共74頁第十六頁，共74頁。17使用模擬(mn)材質屬性進行漫反射從一個點光源從一個線光源kiskisscdbdaIRcdbdaIRI)(cos22nhkiskissIRIRI)(cosnhh = ( s + v ) / 2

8、第16頁/共74頁第十七頁，共74頁。18k shall less than 128第17頁/共74頁第十八頁，共74頁。19純鏡面反射第18頁/共74頁第十九頁，共74頁。20環(huán)境光的反射(background), Ia由于表面之間的多次反射，環(huán)境光(IAm) 為均勻亮度.Ia = Ra IAmRa , 環(huán)境光反射系數, 0 Ra 1Ia 和表面法向及視點(sh din)無關 , 和光源的位置 (或方向) 無關第19頁/共74頁第二十頁，共74頁。21Pure Ambientfloat globalAmbient = 0.9, 0.9, 0.9, 1.;glLightModelfv( GL_

9、LIGHT_MODEL_AMBIENT, globalAmbient );第20頁/共74頁第二十一頁，共74頁。22OverallPure DiffusePure AmbientPure Specular第21頁/共74頁第二十二頁，共74頁。23整體 Phong 照明(zhomng)模型對點光源的反射對線光源的反射amakisiddIRIRcdbdaIRI)( )(2nhnsamakisiddIRIRIRI)( )(nhns第22頁/共74頁第二十三頁，共74頁。24Shiny Teapot 為生成彩色圖片, 分別對紅色(hngs)、綠色和藍色進行明暗處理運算。GLfloat specul

10、ar = 1., 1., 1., 1.;GLfloat ambient = .41, .135, .067, 1.;GLfloat diffuse = .41, .135, .067, 1.;glMaterialf( GL_FRONT, GL_SHININESS, 125.);第23頁/共74頁第二十四頁，共74頁。25快速明暗處理 (Flat Shading), 基于多邊形 表面的明暗是從表面反射的環(huán)境光、漫射光和鏡面光的數量。在快速渲染中, 只對多邊形上的一個點進行一次反射計算。計算的結果將被賦給多邊形上的所有像素. 表面法向被用于計算整個多邊形有同樣的明暗值方法(fngf)是有效率的，但

11、過于粗糙。n第24頁/共74頁第二十五頁，共74頁。26 一個Mach band 是在兩個具有不同明暗值的多邊形的鄰接邊上發(fā)現的條紋. Mach bands 經常發(fā)現于陰影上 我們的眼睛對離散變化(binhu)的明暗特別敏感 第25頁/共74頁第二十六頁，共74頁。27第26頁/共74頁第二十七頁，共74頁。28Gouraud 明暗處理, 基于頂點的 對多邊形上的每個頂點進行一次明暗計算(j sun)。 每個頂點有一個法向，可能是多邊形的法向或者周圍相鄰幾個法向的平均。使用這個頂點的法向計算(j sun)這個頂點處像素的明暗值。n4n3n2n1n0nbncnandn第27頁/共74頁第二十八頁

12、，共74頁。29 被這個(zh ge)多邊形覆蓋的其他像素的明暗值通過插值得到，如同計算顏色的情況。 中間點的顏色C, 由下式得到： ABC)()()1 ()(AB of distanceAC of distanceBColorAColorCColor第28頁/共74頁第二十九頁，共74頁。30 確定(qudng)被多邊形覆蓋的一個像素點的顏色 D的顏色由A和B確定(qudng) E的顏色由 A和C確定(qudng) F點的顏色由D和E確定(qudng)BACDEF一行像素第29頁/共74頁第三十頁，共74頁。31Constant ShadingGouraud Shading第30頁/共74頁

13、第三十一頁，共74頁。32第31頁/共74頁第三十二頁，共74頁。33第32頁/共74頁第三十三頁，共74頁。34Phong 明暗處理,基于像素不同于 Gouraud 明暗處理技術的對每個像素處明暗值進行插值計算, Phong提出對多邊形上的每個像素的法向進行插值計算。然后計算每個像素處的明暗值。使用 Gouraud 明暗處理技術, 我們常常需要將一個表面(biomin)分割成小塊來得到滿意的結果。 Phong 明暗處理技術減少了過多的分割，但是需要更多的計算。它能產生更高質量的圖片但也更慢。BACDEFA row of pixels第33頁/共74頁第三十四頁，共74頁。35 插值計算邊緣(

14、binyun)和每一行像素的法向第34頁/共74頁第三十五頁，共74頁。36Phong 明暗處理技術(jsh)示例第35頁/共74頁第三十六頁，共74頁。37OpenGL 中的照明技術Enable/Disable lightingglEnable( GL_LIGHTING); /setting colors are ignoredglDisable( GL_LIGHTING);指定一個陰影模型Either flat shading or smooth (Gouraud) shading glShadeModel( GL_FLAT); glShadeModel( GL_SMOOTH);指定每個頂

15、點的法向量(xingling). 例如, 在原點繪制球體時glNormal3f( x, y, z); glVertex3f( r*x, r*y, r*z);第36頁/共74頁第三十七頁，共74頁。38 在另一個法向被指定(zhdng)前，一個法向一直保持有效。/Draw a cylinderglBegin( GL_QUAD_STRIP); t = 0.; dt = (360. / nslice) * 3.1416 / 180.; for (j = 0; j = nslice; +j) glNormal3f( cos( t), 0., sin( t); glVertex3f( cos( t),

16、0., sin( t); glVertex3f( cos( t), 2., sin( t); t = t + dt; glEnd();zyx第37頁/共74頁第三十八頁，共74頁。39void triangle( float v3, int a, int b, int c) glBegin(GL_TRIANGLES);glVertex3fv( va); glVertex3fv( vb); glVertex3fv( vc); glEnd(); void tetrahedron() float v3 = -1., -1., -1., 1., -1., 1., -1., 1., 1., 1., 1.

17、, -1. ; glNormal3f( -1., -1., 1.); triangle( v, 0, 1, 2); glNormal3f( 1., 1., 1.); triangle( v, 1, 3, 2); glNormal3f( -1., 1., -1.); triangle( v, 0, 2, 3); glNormal3f( 1., -1., -1.); triangle( v, 0, 3, 1);(1,-1,1) (-1,1,1) (1,1,-1)xzy1320(-1,-1,-1) 第38頁/共74頁第三十九頁，共74頁。40 為了避免需要提供單位法向的困擾，你可以通過在 init(

18、) 中增加以下語句來讓系統(tǒng)為你歸一化所有向量 glEnable( GL_NORMALIZE); 為一個光源指定(zhdng)顏色元素 (r, g, b, a) GLfloat ambient0 = 0.1, 0.1, 0.1, 1.;/Grey GLfloat diffuse0 = 1., 1., 1., 1.; /White GLfloat specular0 = 1., 1., 1., 1.;/White glLightfv( GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambient0); glLightfv( GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, diffuse0); glL

19、ightfv( GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular0);第39頁/共74頁第四十頁，共74頁。41 實際生活中，一個光源的漫反射和鏡面反射經常是相同的。 環(huán)境光依賴于環(huán)境。如果環(huán)境中有很多紅色物體(wt) , 環(huán)境光則微微傾向于紅色。 GLfloat a = 0.1, 0., 0., 1.;/Very pale red GLfloat d = 1., 1., 0., 1.; /Yellow GLfloat s = 1., 1., 0., 1.;/Yellow glLightfv( GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, a); glLightfv( GL_L

20、IGHT0, GL_DIFFUSE, d); glLightfv( GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, s);第40頁/共74頁第四十一頁，共74頁。42 OpenGL 已經可以調用下面(xi mian)語句將它轉化為(r, g, b),作為全局環(huán)境光. float globalAmbient = r, g, b, 1.; glLightModelfv( GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, globalAmbient );指定一個點光源的位置 GLfloat light_position = 2., 4., 6., 1.; glLightfv( GL_LIGHT0, G

21、L_POSITION, light_position);指定線光源的方向。 GLfloat light_position = 1., 1., 1., 0.; glLightfv( GL_LIGHT1, GL_POSITION, light_position);s 為從物體指向光源的方向為從物體指向光源的方向(fngxing)。它和光線方向它和光線方向(fngxing)相反。相反。sn(x,y,z)第41頁/共74頁第四十二頁，共74頁。43 可以定義8個光源GL_LIGHT0, GL_LIGHT1, , GL_LIGHT7 打開或關閉一個(y )特定的光源 (在繪制之前或之后 )glEnabl

22、e( GL_LIGHT0); glDisable( GL_LIGHT0); 默認模式下, OpenGL 假設觀察者在無窮遠處，這樣視角為一個(y )常數。 當觀察者實際離得很近時，這種近似會導致嚴重的錯誤。To ask OpenGL to use the true viewing angle in the calculation of specular reflection. glLightModeli( GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, GL_TRUE);第42頁/共74頁第四十三頁，共74頁。44 網格大小的影響 (Important)下面, 一個發(fā)光的白墻被分成不

23、同的大小并用一個白色的線光源(gungyun)來渲染 GLfloat ambient0 = 0., 0., 0., 1.;GLfloat diffuse0 = .7, .7, .7, 1.; GLfloat specular0 = 1., 1., 1., 1.;position = 0., 0., 1., 0.; /光源(gungyun)方向/視點位置 (0, 0, 8)20 2010 104 42 21 1FastSlow第43頁/共74頁第四十四頁，共74頁。45 線光源和點光源在一個白色發(fā)光(f un)物體上的比較. 視點位置在 (0, 0, 8)Point sourceat (0,0,

24、8)Dir. sourceat (0,0,1)第44頁/共74頁第四十五頁，共74頁。46 對于一個點光源, 我們可以(ky)指定一個常數為衰減系數glLightf( GL_LIGHT1, GL_CONSTANT_ATTENUATION, .0); glLightf( GL_LIGHT1, GL_LINEAR_ATTENUATION, .5); glLightf( GL_LIGHT1, GL_QUADRATIC_ATTENUATION, 0.); 默認值為 a = 1, b = 0, c = 0 (沒有衰減) 對于更高的衰減,則為 b 和 c設定一個更高的系數, e.g., 1, 1.5, 2

25、 or 3.21cdbdaAf第45頁/共74頁第四十六頁，共74頁。47 定義一個聚光燈 (一個特殊的點光源)的顏色值，位置，衰減常數的指定方式和普通(ptng)點光源相同。 另外, 我們可以指定聚光燈的方向和遮光角度第46頁/共74頁第四十七頁，共74頁。4850403020 GLfloat light_direction = 0, 0, -1; /From the light glLightfv( GL_LIGHT2, GL_SPOT_DIRECTION, light_direction); glLightf( GL_LIGHT2, GL_SPOT_CUTOFF, 20.); 截止(ji

26、zh)角在白墻上的影響。第47頁/共74頁第四十八頁，共74頁。49e = 0e = 10e = 100 也可以設置GL_SPOT_EXPONENT 默認值為 0 表示光強度從中心到邊緣均勻分布 一個更高的衰減范圍(fnwi)導致中心強度更強。 glLightf( GL_LIGHT2, GL_SPOT_EXPONENT, 10.);第48頁/共74頁第四十九頁，共74頁。50 指定一個(y )亮紅色物體的反射比 GLfloat diffuse = .41, .135, .067, 1.; GLfloat specular = 1., 1., 1., 1.; glMaterialfv( GL_F

27、RONT, GL_AMBIENT, diffuse); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_DIFFUSE, diffuse); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_SPECULAR, specular); glMaterialf( GL_FRONT, GL_SHININESS, 125.);白色光源(gungyun)的方向為 (1,1,1)第49頁/共74頁第五十頁，共74頁。51材質的反射鏡面反射的紅色、綠色和藍色分量一般是相同的，因此光源的原始顏色將被反射。 (在上一副關于茶壺的圖片(tpin)中最亮的部分為白色，和光源的顏色一樣。)對于高度反光的材質

28、，鏡面反射率接近于 1 并且亮度可高達 100 甚至更高.暗表面的鏡面反射率和亮度接近于 0。一個材質屬性, 例如, 反射比,在下一個值被指定之前保持有效。第50頁/共74頁第五十一頁，共74頁。52 材質的顏色主要取決于漫反射率。 漫反射提供很多曲率(ql)和物體深度的信息。 鏡面反射產生的亮點為光源的模糊圖像。第51頁/共74頁第五十二頁，共74頁。53OverallPure DiffusePure AmbientPure Specular第52頁/共74頁第五十三頁，共74頁。54 GLfloat ambient = .6, .59, .42, 1.; GLfloat diffuse =

29、 .5, .5, .35, 1.; GLfloat specular = .1, .1, .07, 1.; glMaterialfv( GL_FRONT, GL_AMBIENT, ambient); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_DIFFUSE, diffuse); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_SPECULAR, specular); glMaterialf( GL_FRONT, GL_SHININESS, 1.); 光源(gungyun)為位于 (1, 1, 1)處的白色線光源(gungyun)第53頁/共74頁第五十四頁，共74頁。55第5

30、4頁/共74頁第五十五頁，共74頁。56發(fā)光為讓一個材料看起來發(fā)光, 例如, 下一頁中的月亮. GLfloat emission = r, g, b, a; glMaterialfv( GL_FRONT, GL_EMISSION, emission);關閉emission: 將 r-, g-, b-部件設定為0值.注意一個發(fā)光物體不是一個光源(gungyun). 發(fā)光只是材質的一個屬性GLfloat emission = 1., 1., .75, 1.;glMaterialfv( GL_FRONT, GL_EMISSION, emission);draw_moon();GLfloat no_e

31、m = 0., 0., 0., 1.;glMaterialfv( GL_FRONT, GL_EMISSION, no_em);第55頁/共74頁第五十六頁，共74頁。57使用5種材質渲染的一副圖片, 兩個(lin )紋理, 16 個點光源. 月亮是一個發(fā)光物體。第56頁/共74頁第五十七頁，共74頁。58第57頁/共74頁第五十八頁，共74頁。59Transparent透明(tumng)物體第58頁/共74頁第五十九頁，共74頁。60透明物體1. 定義混合函數，并打開混合 glBlendFunc( GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA); glEnable(

32、 GL_BLEND);2. 定義材質的不透明度小于 1.3. 在繪制(huzh)透明物體之前先繪制(huzh)背景物體. 正面和背面都使用填充多邊形繪制(huzh)。void transMaterial1() GLfloat a = .7, 1., .85, .3; GLfloat s = 1., 1., 1., 1.; glMaterialfv( GL_FRONT, GL_AMBIENT, a); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_DIFFUSE, a); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_SPECULAR, s); glMaterialf( GL_F

33、RONT, GL_SHININESS, 100.);*第59頁/共74頁第六十頁，共74頁。61第60頁/共74頁第六十一頁，共74頁。62第61頁/共74頁第六十二頁，共74頁。63 所有的 OpenGL 參數, 包括光照, 都有默認值. 在指定一個新的參數值之前，這個(zh ge)參數值一直保持有效。 默認GL_LIGHT0 發(fā)出白光并且位于視點處。 確切的光照明效果是很難預測的。 在調節(jié)光照參數時實驗和經驗都很重要。 在一個PC機上 OpenGL 提供的照明效果是有限的。 第62頁/共74頁第六十三頁，共74頁。64ShadowsShadow第63頁/共74頁第六十四頁，共74頁。65S

34、hadowB Shadows from a directional light source使用 i, j, k, l, p and ; 來移動(ydng)茶壺.使用 arrows and PgUp 和 PgDn keys 來移動(ydng)光源.第64頁/共74頁第六十五頁，共74頁。66光的方向為 (dx, dy, dz). (x, y, z) 在平面上的陰影(ynyng)位于(x, y, z).我們有 x = x + dx, y = y + dy, z = z + dz. 另外, a (x + dx) + b (y + dy) + c (z + dz)+ d = 0. = (a x +

35、b y + c z + d) / (a dx + b dy + c dz)(x, y, z)(x, y, z)a x + b y + c z + d = 0(dx, dy, dz)第65頁/共74頁第六十六頁，共74頁。671000zyxdzcdybdxadzddybdxadzbdzadyddycdzcdxadyadxddxcdxbdzcdybwzyx.)()()(zydxcdybdxadxdzdxcydxbxdxcdybxdxdxcdybdxadzcybxaxx= (a x + b y + c z + d) / (a dx + b dy + c dz)第66頁/共74頁第六十七頁，共74頁。

36、68/設定矩陣 M 使得它將一個頂點投影到平面(pngmin)上/ ax + by + cz + d = 0./ 光線的方向為(dx, dy, dz).void directionalLightShadow( double dx, double dy, double dz, double a, double b, double c, double d, GLfloat M16) M0 = b*dy+c*dz; M4 = -b*dx; M8 = -c*dx; M12 = -d*dx; M1 = -a*dy; M5 = a*dx+c*dz; M9 = -c*dy; M13 = -d*dy; M2

37、= -a*dz; M6 = -b*dz; M10 = a*dx+b*dy; M14 = -d*dz; M3 = 0; M7 = 0; M11 = 0; M15 = a*dx+b*dy+c*dz;第67頁/共74頁第六十八頁，共74頁。69GLfloat M16;double dx = , dy = , dz = ; glDisable( GL_LIGHTING);glColor4f( 0., 0., 0., 1.);glPushMatrix(); directionalLightShadow( dx, dy, dz, 0, 0, 1, 5, M); glMultMatrixf( M); dra

38、wTeapot(); glPopMatrix();在平面 z + 5 = 0上繪制(huzh)茶壺的陰影光線的方向為 (dx, dy, dz)ShadowB第68頁/共74頁第六十九頁，共74頁。70ShadowA 從一個(y )點光源得到的陰影第69頁/共74頁第七十頁，共74頁。71假設點光源位于原點. 頂點(dngdin) (x, y, z) 的在平面上的陰影為 (x, y, z).因此我們有x = x, y = y, z = z. 另外, a ( x) + b ( y) + c ( z) + d = 0. = d / (ax + by + cz) x = d x/ (ax + by +