第六章 顏色與紋理

第六章顏色與紋理第1頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容顏色與視覺光的特性單色模型彩色模型光柵系統(tǒng)的顏色模型紋理紋理映射2023/5/4第2頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三顏色與視覺顏色：外來的光刺激作用于人的視覺器官而產(chǎn)生的主觀感覺。確定物體的顏色的因素：物體本身、光源、周圍環(huán)境的顏色、視覺系統(tǒng)。從心理學(xué)和視覺的角度出發(fā)，顏色有如下三個(gè)特性：色調(diào)（Hue）,飽和度（Saturation）和亮度（Lightness）。色調(diào)，是一種顏色區(qū)別于其他顏色的因素：紅、綠、藍(lán)、紫等；飽和度是指顏色的純度，鮮紅色的飽和度高，而粉紅色的飽和度低；亮度就是光的強(qiáng)度，是光給人的刺激的強(qiáng)度。2023/5/4第3頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三顏色的恒常性顏色的混合性牛頓的實(shí)驗(yàn)2023/5/4第4頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光的屬性光（可見光）：人的視覺系統(tǒng)能感受到的電磁波，波長范圍350nm~780nm光譜能量分布白光2023/5/4第5頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光學(xué)特性主波長（DominantWavelength），純度（Purity）和明度（Luminance）。主波長是產(chǎn)生顏色光的波長，對應(yīng)于視覺感知的色調(diào)；光的純度對應(yīng)于飽和度，明度就是光的亮度。光亮度:既表示光能大小又表示其色彩組成的物理量.光學(xué)中光譜分布，表示一束光中不同波長光所占的比例.光譜分布唯一決定了相應(yīng)可見光的色彩亮度(Luminance)、照度不考慮物體周圍環(huán)境的影響，即與周圍環(huán)境無關(guān)。明度(Brightness)視覺系統(tǒng)感知到的亮度，（亮度與明度的關(guān)系見后面）2023/5/4第6頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三彩色光單色光2023/5/4第7頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三反射光的光譜能量分布2023/5/4第8頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光效率函數(shù)桿狀細(xì)胞與暗視覺錐狀細(xì)胞與明視覺光效率函數(shù):感受各種波長的光的靈敏度亮度顏色可見光刺激人的視覺系統(tǒng)產(chǎn)生的心理感覺2023/5/4第9頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三亮度與明度的關(guān)系亮度相同的小正方形區(qū)域具有不同的明度Webe定律：明度C與亮度Y,明度差dC為常數(shù)時(shí)，dY/Y也為常數(shù),其中dY是物體與周圍環(huán)境的亮度差。即存在a1使得a1*dY/Y=dC上式兩端積分得到：C=a2+a1logY2023/5/4第10頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三單色模型選擇灰度（亮度）顯示器的灰度范圍問題：如何產(chǎn)生均勻分布的n+1級灰度？方案一亮度均勻分布明度C分布不均勻灰度看以來是均勻的要求明度分布均勻2023/5/4第11頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三單色模型方案二明度均勻分布結(jié)論給定n和，得到合理分布的灰度序列2023/5/4第12頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三單色模型半色調(diào)技術(shù)問題：在硬件條件有限的情況下，如何產(chǎn)生更多的灰度（顏色）等級？方法：半色調(diào)技術(shù)、顏色抖動(dòng)以空間分辨率增加灰度等級。例子：畫筆2023/5/4第13頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三彩色模型顏色的描述視覺色彩(Hue)、飽和度(Saturation)、明度物理學(xué)主波長、色純度、亮度2023/5/4第14頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三彩色模型，1862年，Helmhotz三色學(xué)說，也稱為三刺激理論。到現(xiàn)在，用三種原色能夠產(chǎn)生各種顏色的三色原理已經(jīng)成為當(dāng)今顏色科學(xué)中最重要的原理和學(xué)說。三基色三維顏色空間的一組基三基色的例子：紅、綠、蘭三基色來自生物學(xué)的證據(jù)視網(wǎng)膜中存在三種錐狀細(xì)胞，分別對紅、綠、蘭三基色敏感2023/5/4第15頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三三色學(xué)說:視網(wǎng)膜中存在著三種椎體細(xì)胞，包含不同的色素，對光的吸收和反射特性不同，對于不同的光就有不同的顏色感覺.第一種椎體細(xì)胞:感受紅光的紅胞，第二和第三種椎體細(xì)胞則分別感受綠光和藍(lán)光。它們?nèi)吖餐饔茫谷水a(chǎn)生了不同的顏色感覺。例如，當(dāng)黃光刺激眼睛時(shí)，將會引起紅、綠兩種椎體細(xì)胞幾乎相同的反應(yīng)，而只引起藍(lán)細(xì)胞很小的反應(yīng)，這三種不同椎體細(xì)胞的不同程度的興奮程度的結(jié)果產(chǎn)生了黃色的感覺，這正如顏色混合時(shí)，等量的紅和綠加上極小量的藍(lán)可以復(fù)現(xiàn)黃色是相同。2023/5/4第16頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三視網(wǎng)膜：桿狀和椎狀桿狀細(xì)胞提供視覺相應(yīng)（稱為暗視覺）2023/5/4第17頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三彩色模型顏色匹配問題方法？？？？2023/5/4第18頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三CIE色度圖給定一種顏色，采用如何的三原色比例才可以復(fù)現(xiàn)出該色，以及這種比例是否唯一？CIE（國際照明委員會）選取的標(biāo)準(zhǔn)紅、綠、藍(lán)三種光的波長分別為：紅光，R，；綠光，G，；藍(lán)光，B，。而光顏色的匹配可以用式子表示為：其中權(quán)值r、g、b為顏色匹配中所需要的R、G、B三色光的相對量，也就是三刺激的值。2023/5/4第19頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三CIE-RGB2023/5/4第20頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三CIE-XYZ為了避免顏色匹配系統(tǒng)RGB非負(fù)，取三基色XYZ所有的可見光對應(yīng)的顏色在XZY坐標(biāo)系中組成了一個(gè)錐體，2023/5/4第21頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三是原點(diǎn)與（X，Y，Z）的直線與平面X+Y+Z=1的交點(diǎn)，投影到XY平面上，得到CIE-XYZ色度圖圖中舌形線純度為100%的單色光，每一點(diǎn)是單色光的主波長。C點(diǎn)對應(yīng)校準(zhǔn)白光，色度坐標(biāo)近似（1/3，

1/3，1/3）。色度坐標(biāo)：2023/5/4第22頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三主波長，色純度和補(bǔ)色的計(jì)算兩種顏色混合疊加，兩種顏色的連線上。若將顏色A看作校準(zhǔn)白光與純色B的混合，A與B的主波長相同。|AC|/|BC|為顏色A的純度2023/5/4第23頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三顏色域定義2023/5/4第24頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光柵系統(tǒng)中的顏色模型顏色模型三維顏色空間的子集面向硬件的顏色模型RGB模型CMY模型（Cyan青、Magenta品紅、Yellow黃）YIQ模型（Y：亮度，I、Q：色差）面向用戶的顏色模型HSV模型（H(Hue)色彩，S(Saturation)飽和度，V(Value)明度）2023/5/4第25頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光柵系統(tǒng)中的顏色模型RGB模型Red（紅）、Green（綠）、Blue(蘭)應(yīng)用：彩色CRT加色模型2023/5/4第26頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三顯示彩色圖象用RGB相加混色模型顏色＝R(紅色的百分比)＋G(綠色的百分比)＋B(藍(lán)色的百分比)2023/5/4第27頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光柵系統(tǒng)中的顏色模型CMY模型Cyan（青）、Magenta（品紅）、Yellow（黃）應(yīng)用：硬拷貝設(shè)備減色模型2023/5/4第28頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三打印彩色圖象用CMY相減混色模型2023/5/4第29頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光柵系統(tǒng)中的顏色模型YIQ模型Y：亮度，I、Q：色差應(yīng)用：電視傳播系統(tǒng)電視臺RGB信號EncoderYIQ信號用戶RGB信號DecoderYIQ信號2023/5/4第30頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光柵系統(tǒng)中的顏色模型為什么采用YIQ模型？向后兼容黑白電視節(jié)約帶寬YIQ模型與RGB模型的關(guān)系？Y:I:Q=4:1.5:0.6Total=6M2023/5/4第31頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光柵系統(tǒng)中的顏色模型HSV模型：面向用戶H(Hue)：色彩，S(Saturation)：飽和度，V(Value)：明度應(yīng)用：用戶調(diào)色板模型2023/5/4第32頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三顏色紡錘體2023/5/4第33頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三RGB和HSVRGB和CMY顏色模型都是面向硬件的，相比較而言，HSV(Hue,Saturation,Value)顏色模型是面向用戶的，該模型對應(yīng)于圓柱坐標(biāo)系的一個(gè)圓錐形子集

2023/5/4第34頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三RGB彩色空間和CMY彩色空間的表示法CMY立方體RGB立方體2023/5/4第35頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三光柵系統(tǒng)中的顏色模型顏色的交互指定菜單調(diào)色板顏色差插圖形的繪制動(dòng)畫反混淆2023/5/4第36頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三紋理與紋理映射2023/5/4第37頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三模擬物體表面細(xì)節(jié)物體的表面幾何存在三種基本的度量層次

宏觀結(jié)構(gòu)層次（macrostructure）物體的幾何模型，一般用多邊形、參數(shù)曲面描述亞宏觀結(jié)構(gòu)層次（mesostructure）相當(dāng)小但仍看得見的幾何細(xì)節(jié)，如磚墻上的凹凸部分微觀結(jié)構(gòu)層次（microstructure）

描述肉眼看不到的表面細(xì)節(jié)和光學(xué)特性

表面細(xì)節(jié)多邊形紋理映射法向擾動(dòng)法2023/5/4第38頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三表面細(xì)節(jié)多邊形方法根據(jù)代生成的紋理構(gòu)造細(xì)節(jié)多邊形將細(xì)節(jié)多邊形貼到物體表面2023/5/4第39頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三復(fù)雜情形如何處理？2023/5/4第40頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三紋理映射一般針對前兩個(gè)幾何層次進(jìn)行

在宏觀層次，使用顏色紋理映射可為物體表面貼上真實(shí)的色彩花紋

在亞宏觀層次，則采用更為精細(xì)的紋理映射技術(shù)表現(xiàn)凹凸不平的表面紋理細(xì)節(jié)，如凹凸紋理映射，BTF（雙向紋理函數(shù)）等等2023/5/4第41頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三為什么要進(jìn)行紋理映射僅有光照的場景看上去并不很真實(shí)模型的多邊形可能有些粗糙、不平滑紋理可以對很多外觀效果因素進(jìn)行調(diào)制,如反射效果，表面顏色，鏡面高光，透明度，表面細(xì)節(jié)……用戶定制物體表面細(xì)節(jié)2023/5/4第42頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三紋理與紋理映射紋理是物體表面的細(xì)小結(jié)構(gòu)，它可以是光滑表面的花紋、圖案，是顏色紋理紋理的特征？紋理還可以是粗糙的表面(如桔子表面的皺紋)，它們被稱為幾何紋理，是基于物體表面的微觀幾何形狀的表面紋理，一種最常用的幾何紋理就是對物體表面的法向進(jìn)行微小的擾動(dòng)來表現(xiàn)物體表面的細(xì)節(jié)2023/5/4第43頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三如何找到紋理與物體表面之間的對應(yīng)關(guān)系？2023/5/4第44頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第45頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三紋理映射紋理的表示圖象紋理：將二維紋理圖案映射到三維物體表面，繪制物體表面上一點(diǎn)時(shí)，采用相應(yīng)的紋理圖案中相應(yīng)點(diǎn)的顏色值。函數(shù)紋理：用數(shù)學(xué)函數(shù)定義簡單的二維紋理圖案，如方格地毯?；蛴脭?shù)學(xué)函數(shù)定義隨機(jī)高度場，生成表面粗糙紋理即幾何紋理。2023/5/4第46頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三紋理映射（續(xù)）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)2023/5/4第47頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三紋理映射（續(xù)）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2023/5/4第48頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三紋理映射（續(xù)）步驟1、將屏幕像素的四個(gè)角點(diǎn)映射到景物坐標(biāo)空間中可見的物體表面上2、將景物坐標(biāo)空間映射到紋理坐標(biāo)空間3、將像素所對應(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2023/5/4第49頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三紋理映射（續(xù)）2023/5/4第50頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三紋理坐標(biāo)的指定2023/5/4第51頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三紋理圖象模擬國際象棋上黑白相間的方格2023/5/4第52頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三常用的紋理映射方法圓柱面映射反求參數(shù)2023/5/4第53頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第54頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三球面映射反求參數(shù)2023/5/4第55頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三兩步法紋理映射Bier和Sloan提出，應(yīng)用于三維曲面上方法：先映射到一個(gè)簡單的三維曲面上，如平面，柱面，球面或者立方體上（中介曲面）把變形后的得映射結(jié)果映射到最終曲面上4種從中介曲面到物體表面的映射方式反射光線法物體法向法物體中心法中介表面法向法2023/5/4第56頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三環(huán)境映射Blinn和Newell提出環(huán)境被映照到一個(gè)大的球面上。方法：從視點(diǎn)出發(fā)，向待繪制的物體表面上一點(diǎn)發(fā)出一條光線，求在該點(diǎn)的反射光線與環(huán)境球面的交點(diǎn)。平面情況處理，用虛視點(diǎn)方法效果比光線跟蹤差，但計(jì)算量要很多。2023/5/4第57頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第58頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三細(xì)節(jié)多層次（mipmap）回顧紋理過濾紋理圖單元（紋元，texel）和屏幕像素單元大小往往不是一對一的匹配2023/5/4第59頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三細(xì)節(jié)多層次（mipmap）mipmap實(shí)際上就是預(yù)過濾，預(yù)先生成一批由大到小的紋理圖，根據(jù)物體所占像素的大小，選擇對應(yīng)的紋理進(jìn)行映射又稱為LoD（LevelofDetail）技術(shù)2023/5/4第60頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三細(xì)節(jié)多層次（mipmap）2023/5/4第61頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三細(xì)節(jié)多層次（mipmap）使用mipmap的幾個(gè)要點(diǎn)由大到小所有的紋理，其寬、高必須都滿足2的冪次從最大尺寸到最小尺寸（1×1）的所有紋理都必須給出，不得遺漏，每一層次的寬高都相差2倍各個(gè)尺寸的紋理都可以單獨(dú)指定，相互之間可以完全不相關(guān)2023/5/4第62頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三過程紋理木頭紋理三維體紋理二維紋理圖象或紋理函數(shù)sweepFourier合成噪聲函數(shù)隨機(jī)合成與凹凸紋理的關(guān)系2023/5/4第63頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三紋理反走樣MipMapping（圖象金字塔）從高分辨率到低分辨率，分層存儲紋理顏色的平均，正方形濾波器作卷積2023/5/4第64頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三三維紋理域的映射物體中每一個(gè)點(diǎn)(x,y,z)均有一個(gè)紋理值t(x,y,z)，其值由紋理函數(shù)t(x,y,z)唯一確定。三維紋理映射的紋理空間定義在三維空間上，與物體空間維數(shù)相同，在紋理映射的時(shí)候，只需把場景中的物體變換到紋理空間的局部坐標(biāo)系中去即可。2023/5/4第65頁，共78頁，2023年，2月20日，星期三木紋的紋理函數(shù)步驟：首先求木材表面上的點(diǎn)到木材中心的半徑R:R=，對半徑進(jìn)行小的擾動(dòng)，有R=R+2sin(20*a)，然后對z軸進(jìn)行小彎曲處理，R=R+2sin(20*a+w/150)，最后根據(jù)半徑R用下面的偽碼來計(jì)算color值作為木材表面上點(diǎn)的顏色，就可以得到較真實(shí)的木紋紋理：{grain=RMOD60;/*每隔60一個(gè)木紋*/if(grain<40)

color=

淡色;else

color=深色;}2023/5/4