計算機圖形學第九章課件

第九章

真實感圖形生成技術

本章重點1.了解真實感圖形繪制的基本原理。2.了解并掌握簡單光照模型的組成及應用。3.了解并掌握繪制真實感圖形時常用的多邊形明暗處理的方法。難點：1.如何使用簡單光照模型？

2.如何繪制真實感圖形？9.1引言

真實感圖形的繪制是計算機圖形學的一個重要組成部分，它綜合利用了數(shù)學、物理學、計算機科學和其它科學知識，在計算機圖形設備上生成象彩色照片那樣的真實感圖形。一.真實感圖形的生成步驟

★初始數(shù)據(jù)的輸入★圖形變換

★消隱和裁剪★輝度計算

根據(jù)基于光學物理的光照模型，計算可見面投射到觀察者眼中的光亮度大小和色彩分量，并將它轉(zhuǎn)換成適合圖形設備的顏色值，從而確定投影面上每一象素的顏色，最終生成圖形。三.光照模型物體上某一種顏色的明暗程度(輝度)需采用光照模型進行計算。簡單的光照模型僅考慮光源照射到物體表面產(chǎn)生的反射光，所生成的圖形可以模擬出不透明物體表面的明暗程度，具有一定的真實感。復雜的光照模型除了考慮上述因素之外，還要考慮周圍環(huán)境光對物體表面的影響。它可以模擬出鏡面映象、透明、紋理等，可使繪制的圖形更逼真。

9.2簡單光照模型當光照射到物體表面上時，會出現(xiàn)三種情況：①

光可以通過物體表面向空間反射，產(chǎn)生反射光。②

對于透明體，光可以穿透該物體并從另一端射出，產(chǎn)生透射光。③

部分光將被物體表面吸收而轉(zhuǎn)換成熱。上述三部分中，僅僅是反射光和透射光能夠進入人眼產(chǎn)生視覺效果。

物體表面的反射光和透射光的強弱決定了物體表面的明暗程度，而這些光中所含不同波長光的比例則決定了物體表面的色彩。

一般我們假定入射光均為白光。假設物體不透明，那么物體表面呈現(xiàn)的顏色僅由其反射光決定。通常，反射光由三個分量組成，分別是環(huán)境反射、漫反射和鏡面反射。環(huán)境反射分量是假設入射光均勻地從周圍環(huán)境入射至物體表面，并等量地向各個方向反射出去，因此也可以看成是一種漫反射光，且只占一般漫反射光的很小一部分。

由于物體表面除受特定光源照射外，還受到從周圍環(huán)境來的反射光的照射，這些環(huán)境光的照明效果，可以采用環(huán)境反射分量予以模擬。由于假定環(huán)境反射分量基于均勻入射的漫射光，因此可以用一常數(shù)來表示。則

I漫＝Ipa＋IpdCOSθIpa為環(huán)境反射分量，一般?。?.02－0.2)Ipd。對于許多物體，如石灰粉刷的白墻，紙張等，使用上式計算其反射光亮度是可行的。但對于某些物體,如擦亮的金屬，光滑的塑料等，受光照射后會表現(xiàn)出特有的光澤，如一個點光源照射一個金屬球時會在球面形成一塊特別亮的區(qū)域，呈現(xiàn)所謂的“高光”。這實質(zhì)是光源在金屬球面上產(chǎn)生的鏡面反射光。

二.鏡面反射為朝一定方向的反射光，它遵守光的反射定律，反射光和入射光對稱地位于表面法向的二側(cè)。實用時，常采用余弦函數(shù)的冪次來模擬一般光滑表面的鏡面反射光的空間分布：

I鏡＝IpsCOSnα其中：

I鏡為觀察者接收到的鏡面反射光亮度

Ips為鏡面反射方向上的鏡面反射光亮度

α為鏡面反射方向和視線方向的夾角

n為物體表面光澤度

上式表明，投向觀察者的鏡面反射光不僅取決于入射光，而且和觀察者的觀察方向有關。ABαIps光源觀察者

三.phong模型一個實用的光照模型phong模型便可表示如下：

上式中的I均為光譜量。為避免光譜計算，可將其轉(zhuǎn)換到光柵圖形顯示器的RGB三基色系統(tǒng)。這樣，phong模型可表示成：

四.法線、視線和光源矢量

phong模型中，R0，G0，B0，d，ω，n等參數(shù)都是根據(jù)作圖的需要人為規(guī)定的，所以關鍵是計算cosθ和cosα。而θ和α角都是一些矢量間的夾角。因此，真實感圖形生成中的一個重要問題就是物體表面法矢、視線方向矢量和光源方向矢量的計算。

1．三角形面片的法矢設有一三角形面片，其頂點順序按逆時針方向標識，其三頂點坐標分別表示為p1（x1，y1，z1）、p2（x2，y2，z2）、p3（x3，y3，z3）。

若設三角形面片的法線矢量為

N(nx，ny，nz)則

N＝P2P1×P2P3可表示為：nx＝∑(yi－yj)(zi＋zj)ny＝∑(zi－zj)(xi＋xj)其中

j＝

nz＝∑(xi－xj)(yi＋yj)i=13i=1i=133i+1(i≠3)1(i=3)p1p2p3N2．視線方向矢量對于一個小三角形面片而言，前面已得到了它的法線矢量N，如果我們從面片外的一個視點處E觀察該面片，那么面片上的任一點與E連接就是該點處的視線方向。設三角形的重心坐標為G（gx，gy，gz）則

gx＝

gy＝

gz＝

∑xi

i=1

∑yi

∑Zi

i=1i=1333333G（gx，gy，gz）E(ex,ey,ez)N五.一般物體的表示對于一般的物體，如果其表面的光滑度較低，也就是鏡面反射不太明顯,甚至可忽略不計（如一般的地表、橡膠制品等等）則可將前述phong模型中的鏡面反射部分去掉而簡化成：

又因環(huán)境反射光所占比例極?。╠《1），有時也可忽略不計，故可得：六.金屬材質(zhì)的表示對于金屬材料制成品可不考慮漫反射，而只考慮鏡面反射。其材質(zhì)感可由高光效應表現(xiàn)出來。計算公式可簡化為：

在實際使用中，由于cosα的計算不方便（要計算反射光方向矢量），所以常用N（法線）和H（光源矢量和視線矢量的二等分矢量）之間的夾角余弦值來代替。)()(((

+HVLVL+=)R光源L法線N視線V反射光）H

θαα

H可理解為朝觀察方向產(chǎn)生鏡面反射的虛擬表面的法向量。顯然，H和表面的實際向量N之間的角度反映了射向觀察者的鏡面反射光的大小。

三角形面素的最大特點是簡單、快速。特別是由規(guī)則離散數(shù)據(jù)構成的場景（如航測的地形數(shù)據(jù)，按格子點劃分可直接生成相應的三角形面素）采用此法更加方便。其缺點是真實感程度較差。特別是對于曲面容易使其失去表面的光滑性而呈現(xiàn)多面體狀，這是由于不連續(xù)的法向量跳躍，而引起不連續(xù)的輝度跳躍。解決上述問題的最簡單的方法是采用Gouraud明暗處理方法。

2.Gouraud方法(雙線性亮度插值法)Gouraud方法的思想是對離散的輝度采樣并作雙線性插值，以獲得一個連續(xù)的輝度函數(shù)。具體做法：首先計算多邊形所有頂點的亮度，之后，把它們作為曲面光亮度的采樣點，然后再利用多邊形頂點的光亮度插值計算出多邊形內(nèi)任一點的光亮度，在這里與掃描線繪制算法結(jié)合起來，沿當前掃描線進行雙線性插值。即先用多邊形頂點的光亮度線性插值出當前掃描線與多邊形交點處的光亮度，然后再用交點的光亮度線性插值出掃描線位于多邊形內(nèi)區(qū)段上每一象素處的光亮度值。①計算多邊形各頂點的法矢量取該頂點各相鄰多邊形法矢量的平均值。(x4,y4)NaN1N2N3N4I1I2I3I4IaIbIs掃描線即：Na=(N1+

N2+

N3+N4)/4(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)(xa,ys)(xb,ys)ys

當掃描線

ys

由

j變成

j+1時，Ia和

Ib的增量分別為△Ia和△Ib，則：

Ia，j+1=Ia，j+△Ia

Ib，j+1=Ia，j+△Ib其中

1y1－y2

1y1－y4

當

xs

由

i增為

i+1時

Is，i+1=Is，i+△IS

其中：1xb－xa△Ia=（I1

－I2）△Ib=

（I1

－I4）△IS=（Ib

－Ia）3.Phong方法(雙線性法向量插值法)phong方法的思想是對離散的法向量采樣并作雙線性插值，構造一個連續(xù)的法向量函數(shù)。N1N2N3N4NaNbNs掃描線①計算多邊形各頂點的法矢量；②采用線性插值方法，計算出當前掃描線與多邊形交點處的法矢量

Na

和Nb

；③采用線性插值方法，計算出Ns

；④由Ns計算出象素點S處的輝度值

Is

；⑤線性插值的計算可采用前述的增量法。

本章小結(jié)1.為了使繪制的圖形具有真實感，必須進一步模擬人的視覺效果，能夠表示物體表面的顏色和明暗色調(diào)。這種