新-第6章-真實(shí)感圖形生成技術(shù)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)ComputerGraphics6.1概述一、真實(shí)感圖形定義真實(shí)感圖形的顯示是使用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生同照片同樣的黑白圖像或彩色圖像。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究目的最終是用計(jì)算機(jī)生成圖形，具有真實(shí)感使物體和自然界中物體相似，包括顏色、紋理、明暗等。第六章真實(shí)感圖形生成技術(shù)第六章真實(shí)感圖形生成技術(shù)6.1概述6.2簡(jiǎn)單光照模型6.3明暗處理方法6.4陰影生成方法6.5整體光照模型6.6紋理處理方法6.7圖形顏色和顏色模型二、真實(shí)感圖形應(yīng)用 1、產(chǎn)品外形設(shè)計(jì) 2、飛行駕駛模擬訓(xùn)練 3、動(dòng)畫(huà)制作、城市規(guī)劃、醫(yī)學(xué)氣象等三、真實(shí)感圖形特點(diǎn) 1、反映物體表面顏色和亮度 2、表現(xiàn)物體質(zhì)感 3、能通過(guò)光照下物體的陰影，改善場(chǎng)景的深度感和層次感 4、能模擬透明物體的透明效果和鏡面物體的鏡像效果四、影響真實(shí)感圖形因素 1、物體本身形狀 2、物體表面特征：材質(zhì)、感光度，紋理等 3、照射物體光源 4、物體與光源相對(duì)位置 5、物體周?chē)h(huán)境6.2簡(jiǎn)單光照模型一個(gè)物體表面為什么會(huì)出現(xiàn)明暗、顏色等，主要由于物體發(fā)光達(dá)到人眼的結(jié)果。

光照在物體表面上有三種情況： 1、反射光：光通過(guò)物體表面被反射； 2、透視光：對(duì)于透明物體光穿過(guò)該物體而從另端射出； 3、光被物體吸收而變成熱。我們視覺(jué)效果是反射光和透視光。第六章真實(shí)感圖形生成技術(shù)6.2簡(jiǎn)單光照模型6.2.1環(huán)境反射光6.2.2漫反射光6.2.3鏡面反射光6.2.3Phong光照模型下面討論不包含透射光的簡(jiǎn)單光照模型。假設(shè)物體不透明，那么物體表面呈現(xiàn)的顏色僅由其反射光決定，通常人們把反射光考慮成三個(gè)分量的組合，這三個(gè)分量分別是： 環(huán)境反射 漫反射 鏡面反射6.2.1環(huán)境反射光環(huán)境反射光是由于鄰近物體所造成的光多次反射所產(chǎn)生的，其光亮度可表示為：

Ie=IaKa式中Ie----物體對(duì)環(huán)境光反射亮度；

Ia----環(huán)境光亮度；

Ka----物體表面對(duì)環(huán)境光反射系數(shù)（0≤Ka≤l）。6.2.2漫反射光漫反射光是由特定光源在物體表面反射光中那些向空間各方向均勻反射出去的光。設(shè)物體表面在P點(diǎn)法線為N，從P點(diǎn)指向光源的向量為L(zhǎng)，兩者夾角為θ。于是，點(diǎn)P處漫反射光的強(qiáng)度為：

Id=Ip

kdcosθ式中Id

——表面漫反射光的亮度；

Ip

——入射光的光亮度；

kd——漫射系數(shù)0≤Kd≤l；θ——入射光線與法線間夾角，0≤θ≤π/2。當(dāng)物體表面垂直于入射光方向時(shí)（N、L方向一致）看上去最亮。當(dāng)θ越來(lái)越大，接近900時(shí)，則看上去越來(lái)越暗。6.2.3鏡面反射光上面討論漫反射是一個(gè)粗糙無(wú)光澤表面，如粉筆。如果一個(gè)點(diǎn)光源照射到一個(gè)拋光的金屬球時(shí)，在球上形成一塊特別亮的區(qū)域，呈現(xiàn)所謂“高光”。它是光源在金屬球面上產(chǎn)生的鏡面反射光。對(duì)于一個(gè)理想的鏡面，入射到表面上的光嚴(yán)格地遵守光的反射定律朝一個(gè)方向——鏡面反射方向反射出去；對(duì)于一般光滑表面，由于表面具有一定粗糙度，其表面實(shí)際上是由許多朝向不同微小表面組成，其鏡面反射光散布在反射方向周?chē)．T．Phong1975年提出來(lái)用余弦函數(shù)的冪次來(lái)模擬鏡面反射光的空間分布，可表示為：

Is＝IpKscosnφIs——觀察者接收到鏡面反射光亮度；Ip——入射光的亮度；φ——鏡面反射方向和視線方向的夾角；n——鏡面反射光的會(huì)聚系數(shù)（與物體表面光滑度有關(guān)）一般取1～2000；Ks——鏡面反射系統(tǒng)（與材料性質(zhì)和入射光波長(zhǎng)有關(guān)）。表面越光滑，其鏡面反射光會(huì)聚程度較高，n值較大。與漫反射不同，鏡面反射光與物體顏色無(wú)關(guān)。6.2.4Phong光照模型綜上所述，從視點(diǎn)觀察到物體表面上任一點(diǎn)亮度I應(yīng)為環(huán)境光、漫反射光、鏡面反射光的總和，即：

I＝Ie＋I(xiàn)d＋I(xiàn)s

即：I＝IeKa＋I(xiàn)p(Kdcosθ＋Kscosnφ)當(dāng)光源不只一個(gè)，而是有m個(gè)光源，則上式可寫(xiě)為：

這就是簡(jiǎn)單光照模型。令L為入射光方向單位矢量，N為表面法線單位矢量，R為反射光方向單位矢量，V為視線方向單位矢量，如圖，則余弦函數(shù)可用矢量點(diǎn)積來(lái)表示，即(L·N)=cosθ(R·V)=cosφ即

I＝IaKa＋I(xiàn)p[Kd(L·N)＋Ks(R·V)n]對(duì)于彩色顯示，可把光源分成紅、綠、藍(lán)(R·G·B）三基色光，對(duì)每一基色分別用相應(yīng)算式來(lái)計(jì)算，即

Ir

＝IaKar＋I(xiàn)p[Kdr(L·N)＋Ks(R·V)n]

Ig

＝IaKag＋I(xiàn)p[Kdg(L·N)＋Ks(R·V)n]Ib＝IaKab＋I(xiàn)p[Kdb(L·N)＋Ks(R·V)n]上式中鏡面反射光一項(xiàng)對(duì)三個(gè)式子都是一樣。6.3.1概述明暗處理就是使物體表面光強(qiáng)度強(qiáng)弱表現(xiàn)。上一節(jié)介紹了簡(jiǎn)單照明模型，只要知道物體表面某一點(diǎn)的法線就可以算出該點(diǎn)反射光強(qiáng)度。對(duì)于表面是彎曲的形體，計(jì)算出曲面每一點(diǎn)法線，然后再按照模型來(lái)計(jì)算每一點(diǎn)明暗程度，計(jì)算工作量太大。6.3明暗處理方法因此，用平面多面體來(lái)逼近彎曲表面形體。對(duì)于平面多邊形來(lái)說(shuō)，由于它的每個(gè)表面都是平面，而在同一平面上，任一點(diǎn)法線都是一樣，因此，只要用一個(gè)固定的強(qiáng)度值來(lái)表示面上所有點(diǎn)（即整個(gè)面）的明暗程度就可以了，這樣使得計(jì)算工作大為簡(jiǎn)化。6.3.1概述

為了不使光強(qiáng)度急劇變化，我們用下面兩種方法。6.3明暗處理方法1、哥羅德（Gouraud）強(qiáng)度插值法

2、馮（Phong）法向插值法6.3.2哥羅德（Gouraud）強(qiáng)度插值法

1、計(jì)算多邊形每個(gè)頂點(diǎn)法向量求出與該頂點(diǎn)相鄰的多面體各面的法向平均值，作為該頂點(diǎn)法向。如圖P點(diǎn)法向量為：

Np=(N1+N2+N3)/3其中N1、N2、N3分別是以P為公共頂點(diǎn)的三個(gè)面的外法向；Np是P點(diǎn)外法向。2、計(jì)算各個(gè)頂點(diǎn)的光亮度I1，I2，…Im

6.3.2哥羅德（Gouraud）強(qiáng)度插值法3、用插值方法計(jì)算出多邊形上任一點(diǎn)的光強(qiáng)度，如圖：4、用掃描線方法沿水平方向插值來(lái)計(jì)算出多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的光亮度值，例如點(diǎn)R的光亮度可以用下式計(jì)算：利用哥羅德法思路簡(jiǎn)明，計(jì)算方便，但對(duì)于鏡面反射處理不理想，我們可用下面方法處理。6.3.3馮（Phong）法向插值法

我們上面介紹方法是以光強(qiáng)度進(jìn)行插值,但對(duì)于鏡面反射光亮度往往不理想,而Phong法是以法向進(jìn)行插值，其原理和上面一樣，所不同的是在上面插值公式中用N代替I即可，N是一個(gè)矢量，I是標(biāo)量，所以法向插值計(jì)算量大一些，但產(chǎn)生效果好，比較真實(shí)，能顯示出鏡面特亮區(qū)域。6.4陰影生成方法第六章真實(shí)感圖形生成技術(shù)6.4陰影生成方法6.4.1概述6.4.2自身陰影生成方法6.4.3投射陰影生成方法6.4.1概述1、定義：陰影是指景物中沒(méi)有被光源直接照射的暗區(qū)。

在場(chǎng)景中陰影顯示出來(lái)，可增強(qiáng)圖形立體感，使得計(jì)算機(jī)生成畫(huà)面更具有真實(shí)感。2、陰影分類(lèi)（1）自身陰影（2）投射陰影投射陰影又分為：本影和半影1、本影物體影子中間全黑的輪廓分明部分是本影。本影是沒(méi)有被光源照射部分。2、半影本影周?chē)朊靼氚挡糠质前胗?，半影是一部分被光源照射，一部分未被光源照射。本影?jì)算復(fù)雜，一般只考慮半影計(jì)算。6.4.2自身陰影生成方法生成過(guò)程如下：（l）首先將視點(diǎn)置于光源位置，以光線照射方向作為觀察方向，對(duì)在光照模型下的物體實(shí)施消隱算法，判別出在光照模型下的物體的“隱藏面”并在數(shù)據(jù)文件中加以標(biāo)識(shí)；（2）然后按實(shí)際的視點(diǎn)位置和觀察方向，對(duì)物體實(shí)施消隱算法，生成真正消隱后的立體圖形；（3）檢索數(shù)據(jù)文件，核查消隱后生成的圖形中，是否包含有在光照模型下的“隱藏面”。如有，則加以陰影符號(hào)標(biāo)識(shí)這些面。6.4.3投射陰影生成方法1、影域多面體方法2、Z緩沖器方法3、光線跟蹤法6.4.3投射陰影生成方法1、影域多面體方法基本思想：先求出景物空間中光線被該物體輪廓多邊形所遮擋的區(qū)域，即影域多面體。然后再判斷其后物體是否在該影域內(nèi)，若在影域內(nèi)為陰影。這個(gè)算法與掃描線算法相結(jié)合就容易實(shí)現(xiàn)。6.4.3投射陰影生成方法2、Z緩沖器方法由于陰影是光線照射不到面觀察者卻可見(jiàn)到的區(qū)域，換句話說(shuō)，陰影是相對(duì)于光源不可見(jiàn)而觀察點(diǎn)卻可見(jiàn)到的區(qū)域。所以在畫(huà)面中生成陰影的過(guò)程基本上相當(dāng)于二次消隱，一次是對(duì)光源消隱，另一次是對(duì)視點(diǎn)消隱，Z緩沖器算法就是基于這個(gè)原理。

該法的優(yōu)點(diǎn)：能處理任意復(fù)雜的景物，可以較方便地在光滑曲面上生成陰影，且計(jì)算量小，程序簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：陰影緩沖器的存儲(chǔ)耗費(fèi)較大。6.4.3投射陰影生成方法3、光線跟蹤法要判斷某點(diǎn)是否在陰影內(nèi)，從該點(diǎn)的光源發(fā)一條射線，若與物體不相交，則說(shuō)明不在陰影內(nèi)，若與物體相交，說(shuō)明在陰影內(nèi)。這種方法比較易于實(shí)現(xiàn)，且可以生成十分真實(shí)的陰影，但計(jì)算工作量較大。6.5整體光照模型和光線跟蹤算法前面介紹了簡(jiǎn)單光照模型，所考慮條件是對(duì)于不透明物體，若是透明物體，簡(jiǎn)單光照模型公式就不適合了。我們先考慮透明性物體簡(jiǎn)單模型。6.5.1透明性簡(jiǎn)單模型條件：1、透明體不應(yīng)折射

2、無(wú)漫透視，光通過(guò)透明體時(shí)不產(chǎn)生模糊變形6.5整體光照模型6.5.1透明性簡(jiǎn)單模型如圖，A是透明體，Pt是視線穿過(guò)透明體與背后物體B的交點(diǎn)。此時(shí)由P點(diǎn)光到達(dá)觀察者光強(qiáng)度為：I＝（l－t）Ic十tIt0≤t≤1Ic為P點(diǎn)光亮度，t為透明系數(shù)，t＝0時(shí)對(duì)應(yīng)不透明面．t＝1為透明面，Ic和It可用前面介紹的Phong模型計(jì)算。這種方法無(wú)法模擬光通過(guò)透明介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，須用下面介紹的整體光照明模型。6.5.2整體光照模型景物表面某點(diǎn)P向觀察點(diǎn)輻射的光亮度由三部分組成，依下式求出。

I＝I1十IsKs＋I(xiàn)tKt式中，

I1——光源直接照射引起的反射光亮度，按照Phong模型來(lái)計(jì)算

Is——在鏡面反射方向上其它物體向點(diǎn)P軸射的光亮度；

It——在折射方向上其它物體向點(diǎn)P輻射的光亮度；

Ks——景物表面的反射系數(shù)；

Kt——景物的透射系數(shù)。

Is、It的確定要求助于光線跟蹤算法。

6.5.3光線跟蹤算法如何求象素點(diǎn)P亮度，由三部分組成：1、光源直接照射及環(huán)境光所產(chǎn)生局部光亮度。2、反射方向②來(lái)的光對(duì)A的作用。3、透射方向③來(lái)的光對(duì)A點(diǎn)的作用。A點(diǎn)光強(qiáng)度為：IA＝I1A＋I(xiàn)sAKsA＋I(xiàn)tAKtA

為了求IsA和ItA，必須求IB和IC：IB＝I1B＋I(xiàn)sBKsB＋I(xiàn)tBKtBIC＝I1C＋I(xiàn)sCKsC＋I(xiàn)tCKtCIsC可由連續(xù)跟蹤內(nèi)反射光線6求得，ItC＝背景光。最后，用IsA＝IB；ItC＝IC代入求A點(diǎn)光強(qiáng)度公式，即可求得A點(diǎn)光強(qiáng)度。跟蹤光線結(jié)束條件

跟蹤光線未碰到任何物體；跟蹤光線碰到了場(chǎng)景背景；跟蹤光線在經(jīng)過(guò)許多次反射和折射以后，光線對(duì)于視點(diǎn)的光強(qiáng)貢獻(xiàn)小于某個(gè)設(shè)定值；跟蹤光線反射或折射次數(shù)(即跟蹤深度)大于某個(gè)設(shè)定值；

6.5.4輻射度算法

輻射度算法的原理是任何擊中一個(gè)表面的光都被反射回場(chǎng)景之中，是任何光線，不僅僅是直接從光源射出的光線，因此輻射度算法比上述光線跟蹤算法要復(fù)雜些，同時(shí)它的效果也要好得多，可以生成高真實(shí)感的光照效果圖（如下彩圖）。

基本原則輻射度算法的基本原則就是摒除對(duì)物體和光源的劃分，認(rèn)為所有的東西都是潛在的光源，任何可見(jiàn)的東西不是輻射光線，就是反射光線，或者兩者都是，只要它是一個(gè)光的來(lái)源，它即為一個(gè)光源?？傊?，一切周?chē)芸吹降臇|西都是光源，這樣，當(dāng)我們考慮場(chǎng)景中的某一部分應(yīng)接受多少光強(qiáng)時(shí)，就必須把所有的可見(jiàn)物體發(fā)出的光線都累加進(jìn)去。

6.6紋理處理方法6.6.1概述紋理：物體表面的細(xì)節(jié)，分顏色紋理和幾何紋理。顏色紋理：指光滑表面上附加花紋和圖案；幾何紋理：景物表面微觀上呈現(xiàn)的起伏不平；顏色紋理用紋理映射來(lái)處理，幾何紋理用擾動(dòng)函數(shù)來(lái)描述。顏色紋理幾何紋理

6.6.2紋理映射紋理映射將平面圖案－>景物表面圖案－>屏幕空間如圖，實(shí)際上是坐標(biāo)間轉(zhuǎn)換。設(shè)花紋在（u，w）坐標(biāo)系中，景物表面在（θ，Φ）中，即：θ＝f（u，w），Φ＝g（u，w）或相反u＝r（θ，Φ），w＝s（θ，Φ）一般映射函數(shù)為線性函數(shù)，即θ＝Au十BΦ＝Cw＋D式中A，B，C，D可由兩個(gè)坐標(biāo)系中已知點(diǎn)之間關(guān)系獲得6.6.2紋理映射（a）（b）（c）將（a）中所示圖案映射到圖（b）中所示球面片上，球面片位于第一卦限內(nèi)，圖案是由相交直線組成的簡(jiǎn)單二維網(wǎng)格，球面片的參數(shù)表示為：

x＝sinθsinΦ0≤θ≤π/2y=cosΦπ/4≤Φ≤π/2z=cosθsinΦ取線性映射函數(shù)，

θ＝Au十B，Φ＝Cw＋D假定四邊形圖案的四角映射到四邊形曲面片四角片，即u＝0，w＝0，在θ＝0，Φ＝π/2u＝1，w＝0，在θ＝π/2，Φ＝π/2u＝0，w＝1，在θ＝0，Φ＝π/4u＝1，w＝1，在θ＝π/2，Φ＝π/4可解得

A＝π/2，B＝0，C＝一π/4，D＝π/2故由uw空間在θΦ空間的線性映射函數(shù)為：

θ＝u·π/2，Φ＝π/2－w·π/4由θΦ空間至uw空間的逆映射為：

u＝θ/(π/2)w=（π/2－Φ）/(π/4)

將uw空間中的一條直線映射到θΦ空間，然后換算到XYZ坐標(biāo)系，運(yùn)算結(jié)果如表6.1所示。

表6.1空間直線換算表6.6.3擾動(dòng)映射擾動(dòng)：就是在表面每一點(diǎn)上沿其表面法向方向附加一個(gè)新的向量，這一向量比較小，不影響原表面的大致形狀，但對(duì)其表面該點(diǎn)處的法向產(chǎn)生較大擾動(dòng)作用，結(jié)果使曲面變得非常粗糙，通過(guò)恰當(dāng)選擇擾動(dòng)函數(shù)，可使生成圖形具有不同的皺折紋理效果。

6.7圖形顏色和顏色模型一個(gè)真實(shí)感圖形離不開(kāi)顏色，所以說(shuō)真實(shí)感圖形與顏色有密切關(guān)系，但對(duì)于顏色