真實(shí)感圖形處理課件

第9章真實(shí)感圖形處理圖形的真實(shí)感處理主要指場(chǎng)景隱藏線／面的消除、物體表面的明暗效果及其表面的色彩、紋理處理。

19.1簡(jiǎn)單光照模型9.2多邊形明暗處理9.3物體表面細(xì)節(jié)模擬9.6整體光照模型9.4陰影9.5透明29.1簡(jiǎn)單光照模型（局部）光的反射、透射與轉(zhuǎn)化反射、透射、吸收3例如5點(diǎn)光源

向周?chē)椛涞葟?qiáng)度的光6漫反射光光亮度

光源在景物表面的反射光中向空間各方向均勻反射出去的光。粗糙、無(wú)光澤物體（如粉筆）表面對(duì)光的反射。

7將環(huán)境光與漫反射結(jié)合起來(lái)例子9鏡面反射光滑物體（如金屬或塑料）表面對(duì)光的反射.

高光入射光在光滑物體表面形成的特別亮的區(qū)域。10理想鏡面反射11鏡面反射光照明方程n----鏡面反射的會(huì)聚指數(shù)V·R)n13將環(huán)境光、漫反射與鏡面反射結(jié)合起來(lái)Phong光照模型14光的衰減光在光源到物體表面過(guò)程中的衰減

。衰減函數(shù)：c0、c1、c2為用戶獲得場(chǎng)景中不同光照效果而供調(diào)整的系數(shù)。15產(chǎn)生彩色選擇合適的顏色模型----RGB模型為顏色模型中的每一種基色建立光照明方程：17系數(shù)分解基本色彩、亮度分別控制；

環(huán)境光與漫反射光的基本色彩統(tǒng)一。18統(tǒng)一表示為：=(r,g,b)新的光照明方程:19例子21一、常數(shù)明暗處理模型(均勻著色方法)9.2多邊形明暗處理任取多邊形上一點(diǎn)，利用光照明方程計(jì)算出它的顏色；用這個(gè)顏色填充整個(gè)多邊形。

適合情況

光源在無(wú)窮遠(yuǎn)處視點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處多邊形是物體表面的精確表示22優(yōu)點(diǎn)每個(gè)多邊形只需計(jì)算一次光照明方程，速度快

缺點(diǎn)

相鄰多邊形顏色過(guò)渡不光滑

例子23光滑著色----插值

Gourand明暗處理模型(顏色插值))

Phong明暗處理模型(法矢量插值)25

Gourand在1971年提出了光強(qiáng)度插值明暗算法。該算法較好地消除了用常數(shù)明暗法處理光強(qiáng)度的不連續(xù)性，但是在明暗強(qiáng)度函數(shù)的斜率急劇變化處仍可看到馬赫帶效應(yīng)。即Gourand明暗算法不能完全消除光強(qiáng)度的不連續(xù)性。Gourand明暗算法的基本思想是在各多邊形的公共頂點(diǎn)處，用前面得到的光照較準(zhǔn)確地計(jì)算各頂點(diǎn)的反射光的明暗度。而對(duì)于各多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的明暗度，則使用線性插值法計(jì)算各點(diǎn)的明暗度。Gourand明暗處理模型(顏色插值)263、利用光照明方程 計(jì)算頂點(diǎn)顏色4、對(duì)多邊形頂點(diǎn)顏色進(jìn)行雙線性插值，獲得多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的顏色29Phong明暗算法又稱(chēng)為法線矢量明暗算法。該方法是將多邊形頂點(diǎn)處的法線矢量進(jìn)行線性插值計(jì)算以得到多邊形內(nèi)各點(diǎn)的法線，然后用此插值計(jì)算各點(diǎn)的光照明暗度，因而Phong明暗算法的計(jì)算量要大于Gourand明暗算法的計(jì)算工作量。Phong算法較好地模擬了局部范圍內(nèi)的表面彎曲度，得到了很好的曲面效果，尤其在鏡面反射的高光區(qū)顯得很真實(shí)。即使不是鏡面反射情況，Phong明暗算法的效果也明顯地優(yōu)于Gourand算法。這是因?yàn)樗诿奎c(diǎn)進(jìn)行了光照模型的計(jì)算，因而大大地減輕了馬赫帶效應(yīng)。但是由于每次插值計(jì)算后的法線矢量在代入光照模型前都需要單位化，因而也大大地增加了計(jì)算工作量。Phong明暗處理模型(法矢量插值)3031Phong著色方法

法向插值著色方法

步驟

1、計(jì)算多邊形單位法矢量

2、計(jì)算多邊形頂點(diǎn)單位法矢量3、對(duì)多邊形頂點(diǎn)法矢量進(jìn)行雙線性插值，獲得內(nèi)部各點(diǎn)的法矢量

4、利用光照明方程計(jì)算多邊形內(nèi)部各點(diǎn)顏色。32

33著色方法存在的問(wèn)題:----不光滑的物體輪廓插值多邊形繪制方法34透視變形方向依賴(lài)性35公共頂點(diǎn)處顏色不連續(xù)頂點(diǎn)方向不具有代表性36表面細(xì)節(jié)多邊形

根據(jù)待生成的紋理構(gòu)造細(xì)節(jié)多邊形將細(xì)節(jié)多邊形貼到物體表面9.3物體表面細(xì)節(jié)模擬37

顏色紋理紋理函數(shù)表示數(shù)字圖像

數(shù)學(xué)公式紋理映射：38當(dāng)物體表面是多邊形時(shí)

直接給定多邊形頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)39當(dāng)物體表面是參數(shù)曲面時(shí)給定參數(shù)與紋理坐標(biāo)之間的關(guān)系40

1、將屏幕像素的四個(gè)角點(diǎn)映射到景物坐標(biāo)空間中可見(jiàn)的物體表面上

3、將像素所對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)空間中的四邊形內(nèi)的所有紋素的值作加權(quán)平均，結(jié)果作為物體表面的漫反射系數(shù)參與顏色計(jì)算2、將景物坐標(biāo)空間映射到紋理坐標(biāo)空間

4142采用法向擾動(dòng)法目標(biāo)產(chǎn)生幾何紋理，模擬凸凹不平的物體表面應(yīng)用自然界中植物的表皮等方法對(duì)物體表面微觀形狀進(jìn)行擾動(dòng)幾何紋理439.4陰影什么是陰影

光源不能直接照射的區(qū)域?qū)庠磥?lái)說(shuō)，不可見(jiàn)的面（隱藏面）

考慮陰影的光照明方程44Z緩沖器算法產(chǎn)生陰影將所有景物變換到光源坐標(biāo)系中，利用Z緩沖器算法按光線方向?qū)拔镞M(jìn)行消隱，把那些距光源最近的物體表面上點(diǎn)的深度值保存在陰影緩沖器中2.利用Z緩沖器算法按視線方向?qū)拔镞M(jìn)行消隱，將得到的每一個(gè)可見(jiàn)點(diǎn)變換到光源坐標(biāo)系中，若它在光源坐標(biāo)系中的深度值比陰影緩沖器中相應(yīng)單元的值小，則說(shuō)明該可見(jiàn)點(diǎn)位于陰影中，否則不是45優(yōu)點(diǎn)算法簡(jiǎn)單缺點(diǎn)每個(gè)光源需要一個(gè)陰影緩沖器46陰影細(xì)節(jié)多邊形

算法步驟在景物空間中，利用裁剪算法求出被光源直接照射的多邊形或其一部分將這些多邊形作為表面細(xì)節(jié)貼在物體表面上47光線跟蹤

從可見(jiàn)點(diǎn)P向光源發(fā)出測(cè)試光線，若該光線在到達(dá)光源之前與其它物體相交，則P點(diǎn)位于陰影區(qū)域中48簡(jiǎn)單透明簡(jiǎn)單透明不考慮折射現(xiàn)象

插值透明

過(guò)濾透明9.5透明

49考慮折射的透明

折射定律50透射矢量的計(jì)算519.6整體光照明模型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

局部光照明模型僅考慮了（1）

52整體光照明方程53光線跟蹤算法的基本原理自然界中光線的傳播過(guò)程光源 物體表面 物體表面人眼光線跟蹤過(guò)程----光線傳播的逆過(guò)程5455光線跟蹤算法關(guān)鍵

光線與物體表面的求交R＝E＋Dt（t>=0）E（e1，e2，e3）為射線的起點(diǎn)；D（d1，d2，d3）為射線的方向，R（x，y，z）為射線上的點(diǎn)。找到和射線最近的交點(diǎn)的表面，獲得表面的法線、顏色、反射率、透明性等;連接可見(jiàn)點(diǎn)和光源；沿反射線方向和折射線方向繼續(xù)跟蹤。56575859voidglMaterial{if}[v](GLenumface,GLenumpname,TYPEparam);

參數(shù)名缺省值說(shuō)明GL_AMBIENT(0.2,0.2,0.2,1.0)材料的環(huán)境光顏色GL_DIFFUSE(0.8,0.8,0.8,1.0)材料的漫反射光顏色GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE材料的環(huán)境光和漫反射光顏色GL_SPECULAR(0.0,0.0,0.0,1.0)材料的鏡面反射光顏色GL_SHINESS0.0鏡面指數(shù)（光亮度）GL_EMISSION(0.0,0.0,0.0,1.0)材料的輻射光顏色60voidglLight{if}[v](GLenumlight,GLenumpname,TYPEparam)

表10-1函數(shù)glLight*()參數(shù)pname說(shuō)明

pname參數(shù)名缺省值說(shuō)明GL_AMBIENT(0.0,0.0,0.0,1.0)RGBA模式下環(huán)境光GL_DIFFUSE(1.0,1.0,1.0,1.0)RGBA模式下漫反射光GL_SPECULAR(1.0,1.0,1.0,1.0)RGBA模式下鏡面光GL_POSITION(0.0,0.0,1.0,0.0)光源位置齊次坐標(biāo)（x,y,z,w）GL_SPOT_DIRECTION(0.0,0.0,-1.0)點(diǎn)光源聚光方向矢量（x,y,z）GL_SPOT_EXPONENT0.0點(diǎn)光源聚光指數(shù)GL_SPOT_CUTOFF180.0點(diǎn)光源聚光截止角GL_CONSTANT_ATTENUATION1.0常數(shù)衰減因子GL_LINER_ATTENUATION0.0線性衰減因子GL_QUADRATIC_ATTENUATION0.0平方衰減因子61GLfloatlight_ambient[]={0.0,0.0,0.0,1.0};

GLfloatlight_diffuse[]={1.0,1.0,1.0,1.0};

GLfloatlight_specular[]={1.0,1.0,1.0,1.0};

glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,light_ambient);

glLightfv(GL_LIGHT0,GL_