CG-9-light-model-new計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課件

真實(shí)感圖形繪制

RealisticRendering1真實(shí)感圖形繪制

RealisticRendering1計(jì)算機(jī)生成真實(shí)感圖形的基本任務(wù)建模（場(chǎng)景造型，包括貼圖）圖形變換可見(jiàn)面判斷渲染-根據(jù)光照模型，計(jì)算場(chǎng)景中的顏色，達(dá)到視覺(jué)上的最佳效果2計(jì)算機(jī)生成真實(shí)感圖形的基本任務(wù)建模（場(chǎng)景造型，包括貼圖）2真實(shí)感圖形的生成產(chǎn)生真實(shí)感圖形與很多問(wèn)題有關(guān):物體類型、物體表面的光學(xué)特性。場(chǎng)景中物體表面的相對(duì)位置。各種形狀不同、顏色不同和位置不同的光源。觀察平面的位置和方向。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)真實(shí)感取決于2個(gè)主要因素:物體表面的精確表示.場(chǎng)景中光照效果的物理描述.3真實(shí)感圖形的生成產(chǎn)生真實(shí)感圖形與很多問(wèn)題有關(guān):3顏色模型4顏色模型4RGBColorCube5RGBColorCube5CMYColorCube6CMYColorCube6RGBandCMY[CMY]=[111]-[RGB][RGB]=[111]-[CMY]7RGBandCMY[CMY]=[111]-[RHSV模型Hue(0-360)Saturation(0-1)Value(0-1)8HSV模型Hue(0-360)8YIQColorModel|Y|

|0.2990.587

0.114

|

|R|

|I|=|0.596-0.275-0.321|.|G|

|Q|

|0.212-0.5280.311

|

|B|

|R|

|1.0000.956

0.620

|

|Y|

|G|=|1.000-0.272-0.647|.|I|

|B|

|1.000-1.1081.705

|

|Q|9YIQColorModel|Y|

OpenGL顏色模型10OpenGL顏色模型10CG-9-light-model-new計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課件光照明模型IlluminationModel1).也稱光照模型LightingModel或明暗模型ShadingModel2).光照明模型用于計(jì)算物體表面給定點(diǎn)光的強(qiáng)度3).計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的光照明模型由描述物體表面光強(qiáng)度的物理定律推出.4)為了減少光強(qiáng)度的計(jì)算，光照模型通常采用簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?12光照明模型IlluminationModel1).也稱光照明模型IlluminationModel簡(jiǎn)單的光照明模型所有光源都被認(rèn)為是點(diǎn)光源.只考慮了光源照射在物體表面的反射光的影響假定物體表面是光滑的理想的材料構(gòu)成復(fù)雜的光照明模型(整體光照模型)考慮發(fā)射光周圍環(huán)境的光對(duì)物體表面的影響物體的透明度陰影的處理光源的位置和個(gè)數(shù)13光照明模型IlluminationModel簡(jiǎn)單的光照明模光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)光照射在物體表面，會(huì)出現(xiàn)3種情形：反射光透射光吸收轉(zhuǎn)為熱能（當(dāng)光線照射到不透明的物體，部分光被反射，部分光被吸收；當(dāng)光線照射到透明的物體，部分光被反射，部分光繼續(xù)被傳送，形成透射）物體表面的反射光和透射光決定了物體呈現(xiàn)的顏色反射光通常被看作是環(huán)境反射光、漫反射和鏡面反射光組成14光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)光照射在物體表面，會(huì)出現(xiàn)3種情形：1415表面光照效果由光源和其他表面反射光混合生成15表面光照效果光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)光源lightsource任一發(fā)出輻射能量的對(duì)象，對(duì)場(chǎng)景中其它對(duì)象的光照效果有貢獻(xiàn)。一個(gè)光源可定義許多特性位置/發(fā)射光顏色/發(fā)射光方向/形狀發(fā)光物體都可成為光源。反射光表面可成為反射光源。16光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)光源lightsource16光源的類型typeoflightsource點(diǎn)光源pointlightsource

光線從一個(gè)點(diǎn)向四周輻射發(fā)散對(duì)場(chǎng)景中比對(duì)象小得多的光源的合理逼近離場(chǎng)景不是太近的大光源也可用點(diǎn)光源來(lái)模擬平行光源(方向光源)paralleledlightsource也稱無(wú)窮遠(yuǎn)光源離場(chǎng)景非常遠(yuǎn)的大型光源（如太陽(yáng)）在光照計(jì)算中，僅需要發(fā)射方向的向量及光源顏色而不需要光源位置聚光源圓錐光束光源除了位置、顏色還要確定一個(gè)向量方向如果一個(gè)對(duì)象位于光源方向范圍之外，則得不到該光源的光照17光源的類型typeoflightsource點(diǎn)光源光源的類型typeoflightsource18光源的類型typeoflightsource18光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)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。19光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)反射定律:入射角等于反射角,而且反射光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)折射定律:折射角與入射角滿足η1/η2=sinφ/sinθ,且折射線在入射線與法線構(gòu)成的平面上。n1和n2分別是兩個(gè)介質(zhì)的折射率20光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)折射定律:折射角與入射角滿足η1/表面光照效果環(huán)境光AmbientLight物體表面反射環(huán)境光的結(jié)果漫反射diffusereflection粗糙或顆粒狀表面向各方向反射光鏡面反射specularreflection光滑表面會(huì)集中一個(gè)方向反射光，形成一個(gè)亮點(diǎn)21表面光照效果環(huán)境光AmbientLight21環(huán)境光Ambientlight環(huán)境光反射光的強(qiáng)度

Ie=Ia·Ka參數(shù)Ia

表示環(huán)境光的強(qiáng)度環(huán)境光對(duì)物體的反射光與觀察方向無(wú)關(guān)，與物體表面的空間方向無(wú)關(guān).Ka為物體對(duì)環(huán)境光的反射系數(shù)，0<=Ka<=1高反射物體表面的反射系數(shù)接近于1低反射物體表面的反射系數(shù)近似于022環(huán)境光Ambientlight環(huán)境光反射光的強(qiáng)度22漫反射和鏡面反射23漫反射和鏡面反射23漫反射diffusereflection理想漫反射體從物體表面各個(gè)方向等強(qiáng)度反射光線，與觀察方向無(wú)關(guān)（與視點(diǎn)位置無(wú)關(guān)）Lambert’scosineLaw

表面漫反射光強(qiáng)度Id=IpkdcosθIp—入射光的強(qiáng)度（點(diǎn)光源）

kd—入射光的漫反射系數(shù)(0<kd<1),由物體表面的材料性質(zhì)以及入射光的波長(zhǎng)所決定。θ

—入射光與表面上點(diǎn)的法向量N之間的夾角24漫反射diffusereflection理想漫反射體從物漫反射diffusereflection25特點(diǎn)：光源來(lái)至一個(gè)方向，反射光均勻地射向各個(gè)方向漫反射diffusereflection25特點(diǎn)：物體表面亮度與光線入射角的關(guān)系θ=0，亮度最大；θ=90，表面最暗0<θ<90,θ↑，Ed↓；θ>90，光線照不到表面26物體表面亮度與光線入射角的關(guān)系θ=0，亮度最大；θ=90，表漫反射diffusereflection下圖表示漫反射系數(shù)Kd介于0和1之間時(shí)，用上述漫反射方程，球面在單個(gè)點(diǎn)光源照明下的漫反射效果。27漫反射diffusereflection下圖表示漫反射系鏡面反射specularreflection在光滑表面上的某個(gè)觀察方向可以看到高光highlight或亮點(diǎn)brightspot鏡面反射是由于在鏡面反射角附近的集中區(qū)域內(nèi)入射光全部或大部分成為反射光28鏡面反射specularreflection在光滑表面上鏡面反射specularreflection29N–表面法向方向矢量L–點(diǎn)光源入射光方向R–理想鏡面反射的單位方向矢量S–

物體表面到觀察者方向的單位矢量鏡面反射specularreflection29N–表鏡面反射specularreflection理想反射(完美鏡子),入射光僅在鏡面反射方向發(fā)生反射，即為β=0.非理想反射物體的鏡面反射方向分布在適量R周圍有限的范圍內(nèi).較光滑表面的鏡面反射范圍較小；粗糙表面則有較大的鏡面反射范圍.30鏡面反射specularreflection理想反射(完鏡面反射specularreflection31鏡面反射specularreflection31CG-9-light-model-new計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課件鏡面反射specularreflection根據(jù)Phone模型提出的公式，鏡面反射光的強(qiáng)度取決于物體表面的屬性和入射光的角度

Is=IpKsCosnα鏡面反射光的強(qiáng)度Ip

入射光的強(qiáng)度α：視線與鏡面反射線的角度，0<=α<=90o,0<=Cosα<=1n:反射指數(shù)，（1~2000）物體表面越光滑，其值就越大.

很光滑的表面 n

>=100,

粗糙面 n

=1,

完美鏡面n

=

∞.33鏡面反射specularreflection根據(jù)Phon33鏡面反射系數(shù)Ks物體表面的反射率，也稱鏡面反射系數(shù)，它是入射角和波長(zhǎng)的函數(shù)，也與入射角θ有關(guān)，入射角越大，反射角也越大，反射率會(huì)隨之增大。Ks=W(θ)對(duì)于許多不透明的表面，Ks對(duì)各種入射角來(lái)說(shuō)近乎于常數(shù)，0<=Ks<=134鏡面反射系數(shù)Ks物體表面的反射率，也稱鏡面反射系數(shù)，它是入不同材質(zhì)的鏡面反射效果不同材質(zhì)的鏡面反射效果對(duì)不同的鏡面參數(shù)值計(jì)算單個(gè)點(diǎn)光源場(chǎng)景中球面的鏡面反射效果36對(duì)不同的鏡面參數(shù)值計(jì)算單個(gè)點(diǎn)光源場(chǎng)景中球面的鏡面反射效果36組合環(huán)境光和漫反射圖為Ka與Kd值介于0.001到1.0之間的球面在環(huán)境光與一個(gè)點(diǎn)光源照射下產(chǎn)生的漫反射37組合環(huán)境光和漫反射圖為Ka與Kd值介于0.001到1.0之間Phong光照明模型將上述三種反射光的強(qiáng)度迭加在一起，則38上式所進(jìn)行的光強(qiáng)計(jì)算只是假定只有一個(gè)點(diǎn)光源的，若場(chǎng)景中有多個(gè)點(diǎn)光源，則可以在任一點(diǎn)光源處迭加各個(gè)光源所產(chǎn)生的光源效果，這就是Phong光照明模型Phong光照明模型將上述三種反射光的強(qiáng)度迭加在一起，則38Phong光照明模型如果將光源分解成紅、綠、藍(lán)三種基色39Phong光照明模型如果將光源分解成紅、綠、藍(lán)三種基色3939Phong光照明模型40Phong光照明模型40輻射強(qiáng)度的衰減attenuation輻射光線從一點(diǎn)光源出發(fā)在空間進(jìn)行傳播的時(shí)候，它的強(qiáng)度會(huì)隨著距離的增大而減小41輻射強(qiáng)度的衰減attenuation輻射光線從一點(diǎn)光源出發(fā)41輻射強(qiáng)度的衰減attenuation對(duì)于無(wú)窮遠(yuǎn)光源，光強(qiáng)與距離無(wú)關(guān)，要同時(shí)考慮遠(yuǎn)距離和局部光源，可將光強(qiáng)衰減函數(shù)表達(dá)成42輻射強(qiáng)度的衰減attenuation對(duì)于無(wú)窮遠(yuǎn)光源，光強(qiáng)與42考慮光強(qiáng)衰減的Phong光照明模型43考慮光強(qiáng)衰減的Phong光照明模型434344圖n取不同值時(shí)的Phong光照明模型示例

44圖n取不同值時(shí)的Phong光照明模型示例4545小結(jié)簡(jiǎn)單光照模型環(huán)境光Ie=Ia·Ka鏡面反射光Is=IpKsCosn

α漫反射光Id=kdIpcosθPhong光照模型46小結(jié)簡(jiǎn)單光照模型4646真實(shí)感圖形繪制

RealisticRendering47真實(shí)感圖形繪制

RealisticRendering1計(jì)算機(jī)生成真實(shí)感圖形的基本任務(wù)建模（場(chǎng)景造型，包括貼圖）圖形變換可見(jiàn)面判斷渲染-根據(jù)光照模型，計(jì)算場(chǎng)景中的顏色，達(dá)到視覺(jué)上的最佳效果48計(jì)算機(jī)生成真實(shí)感圖形的基本任務(wù)建模（場(chǎng)景造型，包括貼圖）2真實(shí)感圖形的生成產(chǎn)生真實(shí)感圖形與很多問(wèn)題有關(guān):物體類型、物體表面的光學(xué)特性。場(chǎng)景中物體表面的相對(duì)位置。各種形狀不同、顏色不同和位置不同的光源。觀察平面的位置和方向。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)真實(shí)感取決于2個(gè)主要因素:物體表面的精確表示.場(chǎng)景中光照效果的物理描述.49真實(shí)感圖形的生成產(chǎn)生真實(shí)感圖形與很多問(wèn)題有關(guān):3顏色模型50顏色模型4RGBColorCube51RGBColorCube5CMYColorCube52CMYColorCube6RGBandCMY[CMY]=[111]-[RGB][RGB]=[111]-[CMY]53RGBandCMY[CMY]=[111]-[RHSV模型Hue(0-360)Saturation(0-1)Value(0-1)54HSV模型Hue(0-360)8YIQColorModel|Y|

|0.2990.587

0.114

|

|R|

|I|=|0.596-0.275-0.321|.|G|

|Q|

|0.212-0.5280.311

|

|B|

|R|

|1.0000.956

0.620

|

|Y|

|G|=|1.000-0.272-0.647|.|I|

|B|

|1.000-1.1081.705

|

|Q|55YIQColorModel|Y|

OpenGL顏色模型56OpenGL顏色模型10CG-9-light-model-new計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課件光照明模型IlluminationModel1).也稱光照模型LightingModel或明暗模型ShadingModel2).光照明模型用于計(jì)算物體表面給定點(diǎn)光的強(qiáng)度3).計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的光照明模型由描述物體表面光強(qiáng)度的物理定律推出.4)為了減少光強(qiáng)度的計(jì)算，光照模型通常采用簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?58光照明模型IlluminationModel1).也稱光照明模型IlluminationModel簡(jiǎn)單的光照明模型所有光源都被認(rèn)為是點(diǎn)光源.只考慮了光源照射在物體表面的反射光的影響假定物體表面是光滑的理想的材料構(gòu)成復(fù)雜的光照明模型(整體光照模型)考慮發(fā)射光周圍環(huán)境的光對(duì)物體表面的影響物體的透明度陰影的處理光源的位置和個(gè)數(shù)59光照明模型IlluminationModel簡(jiǎn)單的光照明模光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)光照射在物體表面，會(huì)出現(xiàn)3種情形：反射光透射光吸收轉(zhuǎn)為熱能（當(dāng)光線照射到不透明的物體，部分光被反射，部分光被吸收；當(dāng)光線照射到透明的物體，部分光被反射，部分光繼續(xù)被傳送，形成透射）物體表面的反射光和透射光決定了物體呈現(xiàn)的顏色反射光通常被看作是環(huán)境反射光、漫反射和鏡面反射光組成60光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)光照射在物體表面，會(huì)出現(xiàn)3種情形：1461表面光照效果由光源和其他表面反射光混合生成15表面光照效果光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)光源lightsource任一發(fā)出輻射能量的對(duì)象，對(duì)場(chǎng)景中其它對(duì)象的光照效果有貢獻(xiàn)。一個(gè)光源可定義許多特性位置/發(fā)射光顏色/發(fā)射光方向/形狀發(fā)光物體都可成為光源。反射光表面可成為反射光源。62光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)光源lightsource16光源的類型typeoflightsource點(diǎn)光源pointlightsource

光線從一個(gè)點(diǎn)向四周輻射發(fā)散對(duì)場(chǎng)景中比對(duì)象小得多的光源的合理逼近離場(chǎng)景不是太近的大光源也可用點(diǎn)光源來(lái)模擬平行光源(方向光源)paralleledlightsource也稱無(wú)窮遠(yuǎn)光源離場(chǎng)景非常遠(yuǎn)的大型光源（如太陽(yáng)）在光照計(jì)算中，僅需要發(fā)射方向的向量及光源顏色而不需要光源位置聚光源圓錐光束光源除了位置、顏色還要確定一個(gè)向量方向如果一個(gè)對(duì)象位于光源方向范圍之外，則得不到該光源的光照63光源的類型typeoflightsource點(diǎn)光源光源的類型typeoflightsource64光源的類型typeoflightsource18光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)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。65光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)反射定律:入射角等于反射角,而且反射光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)折射定律:折射角與入射角滿足η1/η2=sinφ/sinθ,且折射線在入射線與法線構(gòu)成的平面上。n1和n2分別是兩個(gè)介質(zhì)的折射率66光照明模型的基礎(chǔ)知識(shí)折射定律:折射角與入射角滿足η1/表面光照效果環(huán)境光AmbientLight物體表面反射環(huán)境光的結(jié)果漫反射diffusereflection粗糙或顆粒狀表面向各方向反射光鏡面反射specularreflection光滑表面會(huì)集中一個(gè)方向反射光，形成一個(gè)亮點(diǎn)67表面光照效果環(huán)境光AmbientLight21環(huán)境光Ambientlight環(huán)境光反射光的強(qiáng)度

Ie=Ia·Ka參數(shù)Ia

表示環(huán)境光的強(qiáng)度環(huán)境光對(duì)物體的反射光與觀察方向無(wú)關(guān)，與物體表面的空間方向無(wú)關(guān).Ka為物體對(duì)環(huán)境光的反射系數(shù)，0<=Ka<=1高反射物體表面的反射系數(shù)接近于1低反射物體表面的反射系數(shù)近似于068環(huán)境光Ambientlight環(huán)境光反射光的強(qiáng)度22漫反射和鏡面反射69漫反射和鏡面反射23漫反射diffusereflection理想漫反射體從物體表面各個(gè)方向等強(qiáng)度反射光線，與觀察方向無(wú)關(guān)（與視點(diǎn)位置無(wú)關(guān)）Lambert’scosineLaw

表面漫反射光強(qiáng)度Id=IpkdcosθIp—入射光的強(qiáng)度（點(diǎn)光源）

kd—入射光的漫反射系數(shù)(0<kd<1),由物體表面的材料性質(zhì)以及入射光的波長(zhǎng)所決定。θ

—入射光與表面上點(diǎn)的法向量N之間的夾角70漫反射diffusereflection理想漫反射體從物漫反射diffusereflection71特點(diǎn)：光源來(lái)至一個(gè)方向，反射光均勻地射向各個(gè)方向漫反射diffusereflection25特點(diǎn)：物體表面亮度與光線入射角的關(guān)系θ=0，亮度最大；θ=90，表面最暗0<θ<90,θ↑，Ed↓；θ>90，光線照不到表面72物體表面亮度與光線入射角的關(guān)系θ=0，亮度最大；θ=90，表漫反射diffusereflection下圖表示漫反射系數(shù)Kd介于0和1之間時(shí)，用上述漫反射方程，球面在單個(gè)點(diǎn)光源照明下的漫反射效果。73漫反射diffusereflection下圖表示漫反射系鏡面反射specularreflection在光滑表面上的某個(gè)觀察方向可以看到高光highlight或亮點(diǎn)brightspot鏡面反射是由于在鏡面反射角附近的集中區(qū)域內(nèi)入射光全部或大部分成為反射光74鏡面反射specularreflection在光滑表面上鏡面反射specularreflection75N–表面法向方向矢量L–點(diǎn)光源入射光方向R–理想鏡面反射的單位方向矢量S–

物體表面到觀察者方向的單位矢量鏡面反射specularreflection29N–表鏡面反射specularreflection理想反射(完美鏡子),入射光僅在鏡面反射方向發(fā)生反射，即為β=0.非理想反射物體的鏡面反射方向分布在適量R周圍有限的范圍內(nèi).較光滑表面的鏡面反射范圍較?。淮植诒砻鎰t有較大的鏡面反射范圍.76鏡面反射specularreflection理想反射(完鏡面反射specularreflection77鏡面反射specularreflection31CG-9-light-model-new計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課件鏡面反射specularreflection根據(jù)Phone模型提出的公式，鏡面反射光的強(qiáng)度取決于物體表面的屬性和入射光的角度

Is=IpKsCosnα鏡面反射光的強(qiáng)度Ip

入射光的強(qiáng)度α：視線與鏡面反射線的角度，0<=α<=90o,0<=Cosα<=1n:反射指數(shù)，（1~2000）物體表面越光滑，其值就越大.

很光滑的表面 n

>=100,

粗糙面 n

=1,

完美鏡面n

=

∞.79鏡面反射specularreflection根據(jù)Phon