計算機(jī)圖形學(xué)第講光照與紋理

計算機(jī)圖形學(xué)第講光照與紋理第一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二顏色顏色或色彩是通過眼、腦和我們的生活經(jīng)驗所產(chǎn)生的一種對光的視覺效應(yīng)顏色：對不同電磁波長的視覺效應(yīng)可見光：380nm~760nm第二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二顏色心理-物理色調(diào)(Hue)-主波長(DominantWavelength)是一種顏色區(qū)別于其它顏色的因素，也就是我們平常所說的紅、綠、藍(lán)、紫等飽和度(Saturation)-純度(Purity)顏色純度純度越高：單一波長且更亮（激光）亮度(Lightness)-明度(Luminance)光的亮度光在單位時間內(nèi)從單位面積向單位立體角所發(fā)射的能量第三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二第四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二顏色紅、綠、藍(lán)三原色(RGB)1862年Helmhotz提出視錐網(wǎng)膜存在三種細(xì)胞，分別感應(yīng)紅綠藍(lán)三種顏色青(Cyan)、品紅(magenta)、黃三原色（CMY）印刷第五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二顏色顏色空間C=rR+gG+bB(r,g,b)值可能會存在負(fù)數(shù)第六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二顏色空間CIEXYZ顏色空間三種假想標(biāo)準(zhǔn)原色X、Y、Z保證 C=(R)X+(G)Y+(B)Z中 (R)、(G)、(B)為正值(R)、(G)、(B)為方向，代表顏色降維到色度平面(R)+(G)+(B)第七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二基礎(chǔ)概念球面坐標(biāo)系第八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二立體角（SolidAngle）投影面積第九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光通量單位時間內(nèi)通過面元的光能量（單位W）輝度（Irradiance）通過單位面積的光通量（單位W/m2）發(fā)光強(qiáng)度(Intensity)點(diǎn)光源在某個方向上的發(fā)光強(qiáng)度第十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光亮度（Radiance，又名輻射率）通過單位面積在單位立體角方向上的光通量（單位：W/(sr*m2)）與輝度關(guān)系

Ω為覆蓋發(fā)光方向的半球第十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二反射：漫反射鏡面發(fā)射真實的反射第十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二真實的反射——BRDFBRDF(bidirectionalreflectancedistributionfunction，二向反射分布函數(shù))四維函數(shù)：描述面元從方向接收光的輻射度，經(jīng)反射后，反射光在方向的輻射率

第十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二繪制方程（反射項）視點(diǎn)所見的光亮度

視點(diǎn)方向光照明：難以模擬真實的BRDF反射經(jīng)驗?zāi)Ｐ臀锢砟Ｐ停ń疲┑谑捻摚簿攀隧?，編輯?023年，星期二光照明光作用反射透射（透明物體）包括折射被物體吸收轉(zhuǎn)化為熱能只有反射光和透射光決定物體的顏色第十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二局部光照明只考慮光線直接照射物體表面的情況整體光照明考慮光物體之間傳播情況第十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二簡單的光照明近似假設(shè)物體不透明，即沒有透射光光種類環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光光源點(diǎn)光源Phong模型第十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二BùiT??ngPhong（裴祥風(fēng)，1942-1975）生于越南河內(nèi)猶他大學(xué)博士學(xué)位提出Phong反射與著色模型第十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二簡單光照模型環(huán)境光（Ambientlight）在物體和周圍環(huán)境之間多次反射后，最終達(dá)到平衡時的一種光，又稱為背景光光強(qiáng)（度）：空間上分布均勻，即任何位置和方向光強(qiáng)度一樣，亮度值記為Ia反射系數(shù)：與物體表面性質(zhì)有關(guān)，決定物體表面呈現(xiàn)的亮度，記為Ka光照模型方程

Ie=

KaIa

Ie為物體表面呈現(xiàn)的亮度

Ka

=0.4Ka

=0.8第十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二簡單光照模型漫反射（DiffuseReflection）點(diǎn)光源：向周圍所有方向發(fā)射等強(qiáng)度的光漫反射光是由物體表面的粗糙不平引起的，它均勻地向各個方向傳播，與視點(diǎn)無關(guān)LN第二十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二簡單光照模型漫反射光在空間均勻分布，反射光強(qiáng)I與入射光的入射角θ的余弦成正比，即：

Kd是漫反射系數(shù)（0～1之間的常數(shù)），與物體表面性質(zhì)有關(guān)Ip是入射光（光源）的光強(qiáng)； θ是入射光的入射角，即入射光與物體表面法向間的夾角漫反射可由向量表示為

注意若，漫反射

當(dāng)存在多個光源時LNcos第二十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二簡單光照模型環(huán)境光與漫反射光結(jié)合方程：例子：第二十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二高光（Specular）：光滑物體表面在點(diǎn)光源的照射下形成一塊特別亮的區(qū)域鏡面反射（SpecularReflection）物體表面對入射光的反射遵循反射定律（1）反射光與入射光位于表面法向兩側(cè)（2）理想反射面而言：入射角＝反射角觀察者在反射方向上看到反射光最強(qiáng)簡單光照模型第二十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二11.1簡單光照模型非理想反射面計算公式：Ks是物體表面鏡面反射系數(shù)，它與入射角和波長有關(guān)；α是視線與反射方向的夾角；

n為鏡面高光系數(shù)，用來模擬鏡面反射光在空間中的匯聚程度，它是一個反映物體表面光澤度的常數(shù)；近似地描述了鏡面反射光的空間分布。第二十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二簡單光照模型簡化Phong模型SSHβL,N,R都是單位向量第二十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二11.1簡單光照模型鏡面參數(shù)n的影響效果n=15 n=5 n=1n

常規(guī)取值5-20第二十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二簡單光照模型改進(jìn)后的Phong模型結(jié)合環(huán)境光、漫反射光及鏡面反射光當(dāng)光源與視點(diǎn)無窮遠(yuǎn)時，對表面上任意一點(diǎn)而言，L和V固定不變，H只需計算一次Hβ第二十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二簡單光照模型光的衰減光在傳播過程中，能量會衰減傳播過程光源到物體表面的傳播，使入射光強(qiáng)度變?nèi)跷矬w表面到人眼的傳播，使人接受到物體表面的反射光強(qiáng)度減弱光到物體表面的衰減考慮衰減的方程第二十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二11.1簡單光照模型物體表面到人眼過程中的衰減深度暗示技術(shù)（DepthCueing）使據(jù)視點(diǎn)遠(yuǎn)的點(diǎn)比近的點(diǎn)暗一些亮度計算前參考面n=Nf；后參考面n=Nb（規(guī)范化視見體內(nèi)）分別賦比例因子Sf和Sb(Sf>Sb)給點(diǎn)物體上的一點(diǎn)的深度N0，比例因子S0第二十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二11.1簡單光照模型亮度計算光照方程計算出的I按比例S0與熔合亮度Idc混合若Sf=1，Sb=0，Idc=0時（1）當(dāng)物體位于前參考面前，I’=I（2）當(dāng)物體位于后參考面后，I’=0（3）N0在Nb和Nf間時，

I’=S0I，亮度部分衰減第三十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二簡單光照模型產(chǎn)生顏色前面的光照模型僅用于白光，只能產(chǎn)生灰度彩色模型計算選擇合適模型（如RGB、HSV等）為顏色的三個分量分別建立光照方程RGB模型光源的顏色[IpR,IpG,IpB]，環(huán)境光的顏色[IaR,IaG,IaB]表面反射系數(shù)（1）環(huán)境反射：[KaR,KaG,KaB]（2）漫反射：[KdR,KdG,KdB]（3）鏡面反射：[KsR,KsG,KsB]第三十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二11.1簡單光照模型彩色光照方程（模型）第三十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二簡單光照模型多個光源如果場景中有m個光源，那么物體上任一點(diǎn)的亮度應(yīng)該為m個光源的貢獻(xiàn)之和在RGB彩色模型中，λ分別為R、G和B。

注意：Iλ可能會超出系統(tǒng)允許的最大亮度值，處理方法（1）截去超出部分，設(shè)置為最大值（2）首先計算出所有亮度值，再進(jìn)行變換（如縮放變換）使其落在系統(tǒng)規(guī)定范圍之內(nèi)第三十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二Phong模型中光源方向與視點(diǎn)方向為常量物體平面法向方向為變量每一個多邊形由于法向一致，因而多邊形內(nèi)部的象素的顏色都是相同的這種方法雖然簡單，但是繪制結(jié)果粗糙，多邊形顏色變化過為劇烈，從而產(chǎn)生馬赫帶效應(yīng)第三十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二第三十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二簡單光照明模型增量式光照明模型使多邊形形成勻稱的光強(qiáng)分布基本思想：插值平滑在每一個多邊形的頂點(diǎn)處計算合適的光照明強(qiáng)度或參數(shù)然后在各個多邊形內(nèi)部進(jìn)行均勻插值，得到多邊形的光滑顏色分布雙線性光強(qiáng)插值（Gouraud明暗處理）雙線性法向插值（Phong明暗處理）第三十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二Gouraud明暗處理算法計算多邊形頂點(diǎn)的平均法向用與頂點(diǎn)相鄰的所有多邊形的法向的平均值近似作為該頂點(diǎn)的近似法向量用Phong光照明模型計算頂點(diǎn)的平均光強(qiáng)以平均光強(qiáng)為輸入nbncnandnn4n3n2n1n0第三十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光強(qiáng)插值雙線性插值：先插值計算邊上的光強(qiáng)，再計算多邊形內(nèi)部光強(qiáng)BACDEF一條掃描線第三十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二雙線性插值增量算法實現(xiàn)：邊界上多邊形內(nèi)部第三十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二第四十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二第四十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二第四十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二Phong明暗處理算法Gouraud明暗處理只是對顏色插值，不能很好地處理高光Phong明暗處理對法向量進(jìn)行插值，更好地逼近像素對應(yīng)曲面上的法向量BACDEF第四十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二Phong明暗處理：雙線性法線插值通過更加平滑的法向量變化，以產(chǎn)生高光效果第四十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二對比第四十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二Phong模型經(jīng)驗?zāi)Ｐ图僭O(shè)：表面光滑實際表面：Cook–Torrance光照明模型模擬：多個法向隨機(jī)分布的微平面組成第四十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二Cook–Torrance光照明模型物理模型模擬鏡面高光，鏡面高光反射率（取代Phone模型中的）F：入射光的反射率系數(shù)D：微平面法向的分布函數(shù)G：衰減因子Rs：BRDF

第四十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二基于光的電磁理論反射率系數(shù)與入射角θi和波長λ相關(guān)θt為折射角，與波長λ相關(guān)基于微平面理論微平面法向分布函數(shù)，表示微平面法向與平均法向間的夾角為α的微平面所占比例m=0.2m=0.6第四十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二幾何衰減因子入射與反射光均無遮擋反射光被遮擋入射光被遮擋第四十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二Cook–Torrance光照明模型基于入射光能量導(dǎo)出的光輻射模型，而簡單光反射模型基于經(jīng)驗以微平面理論為基礎(chǔ)，反映表面的粗糙度對反射光強(qiáng)的影響，更為精確根據(jù)Fresnel定律，根據(jù)材料的物理性質(zhì)決定顏色，而簡單光照模型只以高光顏色與材料無關(guān)第五十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二第五十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二整體光照明簡單光照明/局部光照明只是處理光源直接照射物體表面的光強(qiáng)計算不能很好的模擬光的折射、反射和陰影不能用來表示物體間的相互光照明影響整體光照明第五十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二整體光照明簡單/局部光照明第五十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二整體光照明簡單/局部光照明（增加環(huán)境光強(qiáng)）第五十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二整體光照明希望的光照明（拒絕陰暗）第五十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二整體光照明整體光照明第五十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二整體光照明光從哪兒來第五十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二整體光照明第五十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二整體光照明生成更為真實的視覺效果模擬建筑內(nèi)照明效果第五十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二整體光照明模擬建筑內(nèi)照明效果第六十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二整體光照明光線跟蹤方法（Raytracing）輻射度方法（Radiosity）第六十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法1980年，Whitted提出了光線跟蹤模型，模型中包括了反射和折射效果該模型在圖形學(xué)歷史上具有里程碑意義第六十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法J.TurnerWhitted美國計算機(jī)科學(xué)家北卡羅來納大學(xué)博士學(xué)位（1978）微軟高級研究員美國工程院院士"forcontributionstocomputergraphics,notablyrecursiveray-tracing."曾任北卡羅來納大學(xué)教授貝爾國家實驗室技術(shù)員飛行員/水手TurnerWhitted，Animprovedilluminationmodelforshadeddisplay，CommunicationsoftheACM,v.23n.6,p.343-349,June1980.第六十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法思想光線可由一組射線表達(dá)我們看到物體，因為投射在物體（物體發(fā)出的光線）經(jīng)反射/折射到達(dá)我們的眼睛（但是只有少量光線?。┕饩€跟蹤算法：跟蹤方向與光傳播的方向是相反的，而是視線跟蹤。由視點(diǎn)與象素(x，y)發(fā)出一根射線，與第一個物體相交后，在其反射與折射方向上進(jìn)行跟蹤，第六十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法I=I光源+I反射+I折射光源直接照射反射方向折射方向第六十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二I=I光源+I反射+I折射！光線跟蹤方法自然界光照明的擬過程！第六十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二第六十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法結(jié)果？死循環(huán)需要終止條件！第六十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法終止條件：該光線未碰到任何物體該光線碰到了背景光線在經(jīng)過許多次反射和折射以后，就會產(chǎn)生衰減，光線對于視點(diǎn)的光強(qiáng)貢獻(xiàn)很?。ㄐ∮谀硞€設(shè)定值）光線反射或折射次數(shù)即跟蹤深度大于一定值第六十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法RayTracing(start,direction,weight,color){if(weight<MinWeight)color=black;else{

計算光線與所有物體的交點(diǎn)中離start最近的點(diǎn)；

if(沒有交點(diǎn))color=black;else{ Ilocal=在交點(diǎn)處用局部光照模型計算出的光強(qiáng)；計算反射方向R；

RayTracing(最近的交點(diǎn),R,weight*Wr,Ir);

計算折射方向T；

RayTracing(最近的交點(diǎn),T,weight*Wt,It);color=Ilocal+Ks*Ir+Kt*It;}}}第七十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二多次反射效果（0次）第七十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二多次反射效果（1次）第七十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二多次反射效果（2次）第七十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二第七十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二如何求光線（射線）與物體的交點(diǎn)光線跟蹤方法？第七十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二如何求光線（射線）與物體的交點(diǎn)射線

是射線的起始點(diǎn)是射線的方向，一般歸一化第七十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法求光線（射線）與平面的交點(diǎn)射線平面方程交點(diǎn)存在多個交點(diǎn)時，min{ti},ti>0為射線從起始點(diǎn)出發(fā)遇到的第一個交點(diǎn)第七十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法射線與三角形求交判斷點(diǎn)在三角形內(nèi)重心坐標(biāo)(α,β,γ)，

點(diǎn)在三角形內(nèi)時

，求重心坐標(biāo)(α,β,γ)代入得矩陣形式，在三角形內(nèi)：

第七十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法射線與多邊形求交先求射線與多邊形所在平面交點(diǎn)投影到二維平面上投影平面取之一判斷點(diǎn)在多邊形內(nèi)第七十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二射線與長方體求交射線與長方體的兩個平行平面求交得到1對交點(diǎn)：(，)

對所有三對平行面相交得到3對交點(diǎn)：射線與長方體的交點(diǎn)可通過求：若，為射線與長方體的交點(diǎn)，否則射線與長方體無交點(diǎn)第八十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二類似于梁友棟-Barsky裁剪算法第八十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法射線與球面求交中心為Pc，半徑為r的球面可定義為：由射線方程有：

因為

，有：

寫作當(dāng)射線與球面有交時，方程有解第八十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法求交測試復(fù)雜度：O(n)當(dāng)n巨大空間加速結(jié)構(gòu)第八十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二空間加速結(jié)構(gòu)包圍盒如果射線與物體包圍盒不相交，

則必定不與物體相交包圍盒層次結(jié)構(gòu)多重包圍盒每層包圍多個幾何體幾何體個數(shù)從上至下遞減第八十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二第八十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二3DDDA將幾何體離散地組織到體元中空訪問第八十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二八叉樹（進(jìn)一步加速）PASS第八十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二光線跟蹤方法在GIS中的引用空間分析——可視域計算第八十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二輻射度方法輻射度方法是繼光線跟蹤算法后，真實感圖形繪制技術(shù)的一個重要進(jìn)展光線跟蹤成功模擬鏡面高光、規(guī)則透射及陰影近似地模擬光線在物體之間漫反射一個方向反射終止條件難于模擬景物表面之間的多重

漫反射效果，不能反映輝映現(xiàn)象第八十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期二1984年，美國Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機(jī)圖形學(xué)中成功模擬多重漫反射效果采用數(shù)值求解技術(shù)來近似每一個景物表面的輻射度分布第九十頁，共九十八頁