計算機圖形學真實感圖形

計算機圖形學真實感圖形210.1顏色模型

10.2簡單光照模型

10.3光滑著色

10.4簡單透明模型10.5陰影模型10.6紋理映射10.7本章小結(jié)本章內(nèi)容第2頁,共109頁，2024年2月25日，星期天3使用透視投影繪制的三維物體已經(jīng)具有近大遠小的立體效果，經(jīng)過背面剔除和z-buffer消隱后，初步生成了具有較強立體感的圖形，但要模擬真實物體，還必須為其表面添加材質(zhì)、映射紋理、施加光照、繪制陰影后才能產(chǎn)生真實感圖形(photorealismcomputergraphics)。三維場景第3頁,共109頁，2024年2月25日，星期天410.1顏色模型紅、綠、藍三原色是基于人眼視覺顏色感知的三刺激理論設計的。三刺激理論認為，人眼的視網(wǎng)膜中有三種類型的視錐細胞，分別對紅、綠、藍三種色光最敏感。人眼光譜靈敏度實驗曲線證明，這些光在波長為700nm(紅色)、546nm（綠色）和435.8nm（藍色）時的刺激點達到高峰。三原色有這樣的兩個性質(zhì)：(1)三原色中的任意兩種原色的組合都得不到第三種原色；(2)通過三原色的混合可以得到可見光譜中的任何一種顏色。計算機圖形學中常用的顏色模型有RGB顏色模型、HSV顏色模型和CMYK顏色模型等。其中顏色模型RGB和CMYK是最基礎的模型，其余的顏色模型在顯示時都需要轉(zhuǎn)換為RGB模型，在打印或印刷時都需要轉(zhuǎn)換為CMYK模型。第4頁,共109頁，2024年2月25日，星期天5視網(wǎng)膜存在兩種感光細胞：視錐細胞與視桿細胞。視錐細胞在中央凹分布密集，而在視網(wǎng)膜周邊區(qū)相對較少。視錐細胞對強光敏感。視桿細胞在中央凹處無分布，主要分布在視網(wǎng)膜的周邊部，視桿細胞對暗光敏感。第5頁,共109頁，2024年2月25日，星期天610.1.1原色系統(tǒng)（a）RGB加色系統(tǒng)（b）CMY減色系統(tǒng)圖10-1原色系統(tǒng)第6頁,共109頁，2024年2月25日，星期天7補色指完全不包含另一種顏色互補色第7頁,共109頁，2024年2月25日，星期天8

對于發(fā)光體使用的是RGB加色系統(tǒng)，對于反射體使用的是CMY減色系統(tǒng)。

加色系統(tǒng)中，通過對顏色分量的疊加產(chǎn)生新顏色。紅色和綠色等量疊加成為黃色，紅色和藍色等量疊加成為品紅；綠色和藍色等量疊加成為青色；如果紅色、綠色和藍色等量疊加，則成為白色。

減色系統(tǒng)中，通過消除顏色分量來產(chǎn)生新顏色。當在紙面上涂上品紅油墨時，該紙面就不反射綠光；當在紙面上涂上黃色油墨時，該紙面就不反射藍光；當在紙面上涂上青色油墨時，該紙面就不反射紅光；如果在紙面上涂上了品紅油墨、黃色油墨和青色油墨，那么所有的紅光、綠光和藍光都被吸收，紙面呈現(xiàn)黑色。第8頁,共109頁，2024年2月25日，星期天910.1.2RGB顏色模型RGB顏色模型是顯示器的物理模型，無論軟件開發(fā)中使用何種顏色模型，只要是繪制到顯示器上，圖像最終是以RGB顏色模型表示的。黃(1,1,0)白(1,1,1)黑(0,0,0)紅(1,0,0)藍(0,0,1)綠(0,1,0)青(0,1,1)RGB單位立方體品紅(1,0,1)BGR第9頁,共109頁，2024年2月25日，星期天10classCRGBA{public: CRGBA(); virtual~CRGBA();public: doublered;//紅色分量

doublegreen;//綠色分量

doubleblue;//藍色分量doublealpha;//alpha分量

};分量取值范圍〔0,1〕第10頁,共109頁，2024年2月25日，星期天1110.1.3HSV顏色模型HSV顏色模型是一種直觀的顏色模型，包含三個要素：色調(diào)（hue）、飽和度（saturation）和明度（value）。色調(diào)H是一種顏色區(qū)別于其它顏色的基本要素，如紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等，當人們談論顏色時，實際上是指它的色調(diào)，特別地，黑色和白色無色調(diào)。飽和度S是指顏色的純度。沒有與任何顏色相混合的顏色，其純度為全飽和。要想降低飽和度可以在當前顏色中加入白色，鮮紅色飽和度高，粉紅色飽和度低。明度V是顏色的相對明暗程度。要想降低明度則可以在當前顏色中加入黑色，明度最高得到純白，最低得到純黑。第11頁,共109頁，2024年2月25日，星期天12紅綠藍黃黑青白品紅圖10-3HSV正六邊形HSV模型是從RGB立方體演化而來。沿RGB立方體的主對角線由白色向黑色看去，在平面上的投影構(gòu)成一個正六邊形，RGB三原色和相應的補色分別位于正六邊形的各個頂點上，其中紅色、綠色、藍色分別相隔120°，互補色相隔180°（紅色與青色、黃色與藍色、綠色與品紅分別相隔180°）第12頁,共109頁，2024年2月25日，星期天13看做二維圖，是個正六邊形第13頁,共109頁，2024年2月25日，星期天14紅綠藍黃黑青白品紅圖10-4HSV顏色模型SHV第14頁,共109頁，2024年2月25日，星期天15HSV圓錐HSV六棱錐第15頁,共109頁，2024年2月25日，星期天16圖10－5色澤、色深和色調(diào)的關系圖第16頁,共109頁，2024年2月25日，星期天17表10-1RGB和HSV的對應關系圖10-5Photoshop軟件中表示的RGB模型和HSB模型的轉(zhuǎn)換第17頁,共109頁，2024年2月25日，星期天1810.1.4CMYK顏色模型CMY單位立方體MYC品紅(1,0,1)藍(0,0,1)紅(1,0,0)黑(0,0,0)黃(1,1,0)白(1,1,1)綠(0,1,0)青(0,1,1)第18頁,共109頁，2024年2月25日，星期天1910.1.4CMYK顏色模型CMYK也稱作印刷顏色模型，顧名思義就是用來印刷的。在印刷品上看到的圖像，就使用了CMYK模型。其中K表示黑色（black），之所以不使用黑色的首字母B，是為了避免與藍色（Blue）混淆。從理論上講，只需要CMY三種油墨就足夠了，濃度為100%的三種油墨加在一起就可以得到黑色。但是由于目前工藝還不能造出高純度的油墨，CMY相加的結(jié)果實際是一種“灰”黑色。同時，由于使用一種黑色油墨要比使用青色、品紅和黃色三種油墨便宜，所以黑色油墨被用于代替等量的青色、品紅和黃色油墨。這就是四色套印工藝采用的CMYK模型的理由。第19頁,共109頁，2024年2月25日，星期天20在圖像交付印刷的時候，一般需要把這四個通道的灰度圖制成膠片(稱為出片)，然后制成硫酸紙等，再上印刷機進行印刷。傳統(tǒng)的印刷機有4個印刷滾筒(形象比喻，實際情況有所區(qū)別)，分別負責印制青色、品紅色、黃色和黑色。一張白紙進入印刷機后要被印4次，先被印上圖像中青色的部分，再被印上洋紅色、黃色和黑色部分，順序如下圖：第20頁,共109頁，2024年2月25日，星期天21從上面的順序中，可以很明顯地感到各種油墨添加后的效果。在印刷過程中，紙張在各個滾筒間傳送，可能因為熱脹冷縮或者其他的一些原因產(chǎn)生了位移，這可能使得原本該印上顏色的地方?jīng)]有印上。為了檢驗印刷品的質(zhì)量，在印刷各個顏色的時候，都會在紙張空白的地方印一個+符號。如果每個顏色都套印正確，那么在最終的成品上只會看到一個+符號。如果有兩個或三個，就說明產(chǎn)生了套印錯誤，將會造成廢品。第21頁,共109頁，2024年2月25日，星期天22噴墨打印機不會產(chǎn)生套印錯誤，這是為什么呢？印刷機的紙張要進出4個滾筒，套印錯誤就是在這進出之間產(chǎn)生的。而噴墨打印機是一次性打印，所以不存在套印錯誤。噴墨打印機如何實現(xiàn)一次性打印呢？噴墨打印機的將多個噴嘴前后依次排列。這樣在打印的時候，紙張第一行先被噴上C，然后紙張向前移動一行，原先的第一行停在了M噴嘴下被噴上M色，同時新的空白的第二行被噴上C色。接著紙張再前移，已噴完C、M的那一行現(xiàn)在停在了Y色噴嘴下，被噴上Y色。而第二行被噴上M。新的空白第三行被噴上C。以此類推。如果在打噴墨打印機打印到一半的時取消打印，就會看到在圖像的邊緣分布著未完成的部分。第22頁,共109頁，2024年2月25日，星期天23第23頁,共109頁，2024年2月25日，星期天24既然噴墨打印機的原理并不復雜，為什么大型印刷機不采用這樣印刷方式呢？是因為這種打印方式速度很低，噴嘴在每行都需要有一個移動的過程，這需要時間，如果大幅面紙張耗時更久。而報紙等大量的印刷品都需要在短時間內(nèi)完成，所以這種打印方式是無能為力的。并且精度上也不及印刷機。因此，打印和印刷，這兩者是有很大區(qū)別的。打印一般數(shù)量很少，質(zhì)量和速度要求也不高。常見于個人及小型辦公使用。印刷則正相反。隨著印刷技術的進步，現(xiàn)在很多中小型印刷廠都采用了四色印刷機，降低了廢品率。第24頁,共109頁，2024年2月25日，星期天2510.2簡單光照模型光照是增強圖形真實感的重要技術。光照模型是根據(jù)光學物理的有關定律，計算在特定光源的照射下，物體表面上一點投向視點的光強。光線投射到物體表面時，可能被物體吸收、反射或透射（折射）。其中被吸收的入射光轉(zhuǎn)化為熱，其余部分則向四周反射或透射。朝向視點的反射光和透射光進入視覺系統(tǒng)，使物體可見。三維線框球面模型同色填充球面模型變色填充球面模型第25頁,共109頁，2024年2月25日，星期天26計算機圖形學的光照模型分為局部光照模型(localillumationmodel)和全局光照模型。局部光照模型僅考慮光源直接照射到物體表面所產(chǎn)生的效果，通常假設物體表面不透明且具有均勻的反射率。局部光照模型能表現(xiàn)出光源直接投射在漫反射物體表面上所形成的連續(xù)明暗色調(diào)、鏡面高光以及由于物體相互遮擋而形成的陰影。全局光照模型(Globalilluminationmodel)除了考慮上述因素外，還考慮周圍環(huán)境對物體表面的影響，采用RayTracing和Radiosity兩種技術來計算全局光照RayTracing，能模擬鏡面的映象、光的折射以及相鄰表面之間的色彩輝映等精確的光照效果。用于計算鏡面反射,燈光透過玻璃的效果和陰影,還有模擬精確的直接照射光產(chǎn)生的陰影。

簡單光照模型是局部光照模型的一種經(jīng)驗模型，認為鏡面反射與物體表面的材質(zhì)無關、物體的顏色由材質(zhì)的漫反射率決定。這使得所生成的圖像看上去像塑料，顯示不出磨亮的金屬光澤。第26頁,共109頁，2024年2月25日，星期天27簡單光照模型假定：光源為點光源，入射光僅由紅、綠、藍3種不同波長的光組成；點光源是對場景中比物體小得多的光源的最適合的逼近，如燈泡就是一個點光源。物體是非透明物體，物體表面所呈現(xiàn)的顏色僅由反射光決定，不考慮透射光的影響；只考慮反射不考慮透射。反射光被細分為漫反射光（diffuselight）和鏡面反射光（specularlight）兩種。簡單光照模型只考慮物體對直接光照的反射作用，而物體之間的反射作用，用環(huán)境光（ambientlight）常量統(tǒng)一表示。簡單光照模型分為環(huán)境光模型、漫反射光模型和鏡面反射光模型，全部屬于經(jīng)驗模型。簡單光照模型表示為（10-3）第27頁,共109頁，2024年2月25日，星期天2810.2.1材質(zhì)屬性

物體的材質(zhì)是指物體表面對光的吸收、反射和透射的性能。由于研究的是簡單局部光照模型，所以只考慮材質(zhì)的反射屬性。同光源一樣，材質(zhì)也由環(huán)境色、漫反射色和鏡面反射色等分量組成，分別說明了物體對環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光的反射率。

材質(zhì)決定物體的顏色，在進行光照計算時，材質(zhì)對環(huán)境光的反射率與光源的環(huán)境光分量相結(jié)合，對漫反射光的反射率與光源的漫反射光分量相結(jié)合，對鏡面光的反射率與光源的鏡面反射光分量相結(jié)合。由于鏡面反射光影響范圍很小，而環(huán)境光是常數(shù)，所以物體的顏色由材質(zhì)的漫反射率決定。第28頁,共109頁，2024年2月25日，星期天圖9-11材質(zhì)漫反射光反射率對物體顏色影響效果圖(a)(1.0,0.5,0.0)(b)(1.0,0.0,0.5)(c)(0.5,1.0,0.0)(d)(0.5,0.0,1.0)(e)(0.0,1.0,0.5)(f)(0.0,0.5,1.0)29第29頁,共109頁，2024年2月25日，星期天30

(a)金(b)銀(c)紅寶石(d)綠寶石圖14球面材質(zhì)第30頁,共109頁，2024年2月25日，星期天3110.2.2環(huán)境光模型環(huán)境光是環(huán)境中其它物體散射到物體表面后再反射出來的光。由周圍物體多次反射所產(chǎn)生的環(huán)境光來自周圍各個方向，又均勻地向各個方向反射。圖10-9環(huán)境光幾何表示環(huán)境光的反射光強Ie可表示為，0.0≤ka≤1.0

（10-4）Ia為來自周圍環(huán)境的光強第31頁,共109頁，2024年2月25日，星期天3210.2.3漫反射光模型漫反射光是從一點照射，均勻地向各個方向散射，因此漫反射光與視點無關。Lambert（1728～1777）圖10-10漫反射光幾何表示

Lambert余弦定律:0.0≤θ≤π/2，0.0≤kd≤1.0（10-5）第32頁,共109頁，2024年2月25日，星期天33（10-6）式中，L,N為單位矢量?？紤]到點光源位于P點的背面時，L·N計算結(jié)果為負值，應取為零，有（10-7）10.2.4鏡面反射光模型鏡面反射光是只朝一個方向反射的光，具有很強的方向性，并遵守反射定律。鏡面反射光會在光滑物體表面形成一片非常亮的區(qū)域，稱為高光（hilight）區(qū)域。第33頁,共109頁，2024年2月25日，星期天34BuiTuongPhong

wasa

Vietnamese-born

computergraphics

researcherandpioneer.Phongwasbornin

Hanoi,Vietnam.HewenttoFrancein1964andwasadmittedtotheGrenobleInstituteofTechnology

.Hecametothe

UniversityofUtahCollegeofEngineering

inSeptember1971asaresearchassistantinComputerScienceandhereceivedhisPh.D.fromtheUniversityofUtahin1973.Phongknewthathewasterminallyillwith

leukemia

whilehewasastudent.In1975,afterhistenureattheUniversityofUtah,Phongjoined

StanfordUniversity

asaprofessor.Hediednotlongafterfinishinghisdissertation.Phongandhiswifehadonedaughter.第34頁,共109頁，2024年2月25日，星期天35AccordingtoProfessor

IvanSutherland

andPhong'sfriends,Phongwasintelligent,affableandmodest.Abouthisworkincomputergeneratedimages,heremarked,"Wedonotexpecttobeabletodisplaytheobjectexactlyasitwouldappearinreality,withtexture,overcastshadows,etc.Wehopeonlytodisplayanimagethatapproximatestherealobjectcloselyenoughtoprovideacertaindegreeofrealism."Phongwastheinventorofthe

Phongreflectionmodel

andthe

Phongshading

interpolationmethod,techniqueswidelyusedincomputergraphics.BuiTuongpublishedthedescriptionofthealgorithmsinhis1973PhDdissertationanda1975paper.Hedevelopedthefirstalgorithmforsimulatingspecular

phenomena.Whenworkingonhisdoctorate,hewasveryfocusedonselectingatopicandcompletinghisdissertationveryfast.Professor

DavidC.Evans

veryenthusiasticallysupportedhiminthisproject.Professor

IvanSutherland

workedwithhimforimprovingthepreviousMachbanding

problems,andonusingnormals

forshading.第35頁,共109頁，2024年2月25日，星期天36圖10-11鏡面反射光幾何表示Phong反射模型:0.0≤ks≤1.0，0.0≤α≤π/2（10-8）第36頁,共109頁，2024年2月25日，星期天37圖10-10高光指數(shù)的分布函數(shù)n=1n=20n=2第37頁,共109頁，2024年2月25日，星期天38第38頁,共109頁，2024年2月25日，星期天39在簡單光照模型中，鏡面反射光顏色和入射光顏色相同，也即鏡面反射光只反映光源的顏色。在白光的照射下，物體的高光區(qū)域顯示白色；在紅光的照射下，物體的高光區(qū)域顯示紅色。鏡面光反射率ks是一個與物體顏色無關的參數(shù)。（10-9）

鏡面反射光光強不僅取決于物體表面的法線方向，而且依賴于光源和視點的相對位置。只有當視點位于比較合適的位置時，才可以觀察到物體表面某些區(qū)域呈現(xiàn)出高光，當視點位置改變時，高光區(qū)域也會隨之消失。

圖10-13“物體不動，旋轉(zhuǎn)視點”的光照動畫第39頁,共109頁，2024年2月25日，星期天40Blinn（1948～）Blinn于1977年對Phong的鏡面反射模型做了改進，使用平分矢量H加速計算。（10-11）（10-12）考慮β＞90°時，H·N計算結(jié)果為負值，應取為零，有（10-13）第40頁,共109頁，2024年2月25日，星期天41這樣考慮環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光且只有一個點光源的簡單光照模型為（10-14）10.2.5光強衰減入射光的光強隨著光源與物體之間距離的增加而減弱，強度則按照光源到物體距離（d）的1/d2進行衰減（10-15）

d為光矢量L的模長。第41頁,共109頁，2024年2月25日，星期天42考慮光強衰減的單光源簡單光照模型為（10-16）如果場景中有多個點光源，簡單光照模型表示為（10-17）第42頁,共109頁，2024年2月25日，星期天4310.2.6增加顏色由于計算機中采用的是RGB顏色模型，因此需要為顏色的紅、綠、藍3個分量分別建立光照模型。(10-23）計算所得的顏色要歸一化到區(qū)間[0,1]后，才能在RGB顏色模型中正確顯示。第43頁,共109頁，2024年2月25日，星期天4410.3光滑著色10.3.1直線段的光滑著色如果直線段的斜率，y方向為主位移方向（10-25）如果，則x方向為主位移方向，有（10-26）第44頁,共109頁，2024年2月25日，星期天45

圖10-15光滑著色直線

圖10-16雙光源球面線框光照模型第45頁,共109頁，2024年2月25日，星期天4610.3.2Gouraud明暗處理先計算物體表面多邊形各頂點的平均法矢量，然后調(diào)用簡單光照模型計算各頂點的光強，多邊形內(nèi)部各點的光強則通過對多邊形頂點光強的雙線性插值得到。Gouraud（1944～）高洛德圖10-19Gouraud雙線性光強插值模型第46頁,共109頁，2024年2月25日，星期天47

圖10-21立方體顏色填充（a）平面著色（b）Gouraud光滑著色第47頁,共109頁，2024年2月25日，星期天48Gouraud明暗處理的實現(xiàn)步驟如下：（1）計算多邊形頂點的平均法矢量。

圖10-22計算共享頂點P的三角形面片的法矢量第48頁,共109頁，2024年2月25日，星期天（2）對多邊形網(wǎng)格的每個頂點根據(jù)簡單光照模型計算光強。（3）根據(jù)每個多邊形網(wǎng)格的頂點的光強，按照掃描線順序使用線性插值計算多邊形網(wǎng)格邊上每一點的光強。（4）在掃描線與多邊形相交區(qū)間內(nèi)，使用線性插值獲得區(qū)間內(nèi)每一點的光強。然后再將光強分解為該點的RGB顏色。Gouraud明暗處理存在的缺陷：（1）使用Gouraud雙線性光強插值實現(xiàn)相鄰多邊形之間的光滑過渡時，由于采用了光強插值，高光區(qū)域的多邊形邊界明顯，馬赫帶效應沒有完全消除。（2）鏡面反射的高光區(qū)域只能在最小面片的周圍形成，不能在面片的內(nèi)部形成，導致Gouraud明暗處理生成的高光區(qū)域明顯大于Phong明暗處理生成的高光區(qū)域。第49頁,共109頁，2024年2月25日，星期天

物體是使用平面多邊形逼近的。上圖光滑的效果是通過增加多邊形數(shù)量來獲得的么？設計目標：使用有限多邊形來獲得光滑表面，如何實現(xiàn)？

第50頁,共109頁，2024年2月25日，星期天

Gouraud插值算法使得圖形變得光滑，主要原因是使用了相鄰兩個面的平均法矢量計算過渡光強，實現(xiàn)了“使用有限多邊形構(gòu)造光滑表面”的設計目標。

Gouraud著色Flat著色

Gouraud著色Flat著色

有限網(wǎng)格有限網(wǎng)格平均法矢量的作用第51頁,共109頁，2024年2月25日，星期天52圖10-23環(huán)境光模型圖10-24環(huán)境光＋漫反射光模型圖10-25簡單光照模型圖10-26“綠寶石”材質(zhì)簡單光照模型第52頁,共109頁，2024年2月25日，星期天5310.3.3Phong明暗處理先計算多邊形網(wǎng)格的每個頂點的平均法矢量，然后使用雙線性插值計算多邊形內(nèi)部各點的法矢量。最后才使用多邊形網(wǎng)格上各點的法矢量調(diào)用簡單光照模型計算其所獲得的光強。Phong明暗處理的實現(xiàn)步驟如下：（10-32）⑴計算多邊形頂點的平均法矢量。第53頁,共109頁，2024年2月25日，星期天54⑵線性插值計算多邊形內(nèi)部各點的法矢量。圖10-29Phong雙線性法矢插值模型雙線性法矢插值的計算公式與光強插值的類似，只是將其中的光強項用法矢項代替。第54頁,共109頁，2024年2月25日，星期天55⑶對多邊形內(nèi)的每一點使用法矢量調(diào)用簡單光照模型計算光強，然后再將光強分解為該點的RGB顏色。Phong明暗處理優(yōu)點：可以產(chǎn)生正確的高光區(qū)域。Phong明暗處理缺點：既要通過三角形網(wǎng)格各頂點的法矢量來插值計算多邊形內(nèi)各點的法矢量，還要調(diào)用光照模型計算其光強，計算時間是Gouraud明暗處理的6～8倍。（a）Flat（b）Gouraud（c）Phong

圖10-30球面著色模式效果圖第55頁,共109頁，2024年2月25日，星期天5610.4簡單透明模型，t∈〔0,1〕（10-36）

簡單透明模型是不考慮折射的影響的經(jīng)驗模型。該模型簡單地將物體1上各像素處的光強與其后的另一個物體2上相應像素處的光強作線性插值以確定物體1上各像素最終顯示的光強。式中，I1為物體1上某一像素的光強，I2為物體2上相應像素的光強。t為透明度，其值通常取自CRGB類的alpha分量。當t＝1.0時，物體1透明，可以完全看到物體2；當t＝0.0時，物體1完全不透明，物體2被物體1遮擋。當t的取值位于[0.0，1.0]內(nèi)時，如t＝0.5，物體的最終顏色是物體1的顏色與物體2的顏色的線性融合，即物體1的顏色與物體2的顏色各占50％。假定物體2不透明，物體1的透明度的變化如圖10-31所示。第56頁,共109頁，2024年2月25日，星期天57顏色化：（10-37）在黑色場景中放置物體A和物體B，物體A為綠色立方體，物體B為黃色球體，球體內(nèi)置于立方體中心。為了演示透明效果，立方體只繪制5個表面，另一個表面作為“開窗”。在黑色場景中繪制兩兩正交的紅綠藍玻璃片，效果如圖10-32所示。簡單透明模型的優(yōu)點是計算簡單，但只能模擬透明效果，不能模擬光的折射效果。計算機圖形學中也常用簡單透明模型模擬霧效果，使遠處的物體看上去逐漸變得模糊，從而增加場景的真實感。第57頁,共109頁，2024年2月25日，星期天58

圖10-31t＝0.5的透明立方體與內(nèi)置球體

（a）t＝0.0（b）t＝0.6

圖10-32正交玻璃片紅色球+綠色盒子第58頁,共109頁，2024年2月25日，星期天5910.5簡單陰影模型自然界中，物體只要受到光照，就會產(chǎn)生陰影。陰影效果對增強場景的真實感有著非常重要的作用。陰影可以反映物體之間的相對位置，增強場景的立體感和層次感。陰影是由于物體截斷了光線而產(chǎn)生的，如果光源位于物體的一側(cè)，陰影總是位于物體的另一側(cè)，也就是與光源相反的一側(cè)。如果視點和光源在同一方向上，得不到光照的陰影面同時又是看不到的隱藏面，不會有陰影。第59頁,共109頁，2024年2月25日，星期天60物體的多邊形表面，如果在陰影區(qū)域內(nèi)部，則該多邊形的光強就只有環(huán)境光一項；否則就用正常的光照模型計算光強。采用這種簡單的方法，就可以將陰影引入簡單光照模型中，使產(chǎn)生的真實感圖形更具有層次感。

對于單點光源，陰影算法與隱面算法相似。隱面算法確定哪些表面從視點看過去是不可見的，而陰影算法確定哪些表面從光源看過去是不可見的。從光源位置看過去不可見的區(qū)域就是陰影區(qū)域。計算陰影相當于兩次消隱過程。

在單點光源的照射下，陰影分為自身陰影與投射陰影。假設單點光源位于立方體左面的無窮遠處，視點位于立方體前方。這時產(chǎn)生的陰影包括兩個部分：一部分是由于物體自身的遮擋而使光線照射不到它的某些表面產(chǎn)生自身陰影；另一部分是由于不透明的物體遮擋光線使得位于物體另一側(cè)的區(qū)域受不到光照而形成投射陰影。第60頁,共109頁，2024年2月25日，星期天61圖10-34陰影的分類投射陰影自身陰影第61頁,共109頁，2024年2月25日，星期天62繪制自身陰影與投射陰影圖形的算法如下：（1）根據(jù)視點原來的觀察位置，對物體實施隱面算法，使用正常的光照模型計算光強來繪制可見表面。（2）將視點移到光源的位置。從光源處向物體所有背光面投射光線，建立光線的參數(shù)方程，計算該光線與投影面（地面）的交點，使用深灰色填充交點所構(gòu)成的陰影多邊形，形成投射陰影。若選用簡單光照模型，對于背光面，由于得不到光源的直接照射，只有環(huán)境光對其光強有貢獻。第62頁,共109頁，2024年2月25日，星期天63圖10-35光照立方體產(chǎn)生的陰影第63頁,共109頁，2024年2月25日，星期天我有一所房子，面朝大海，春暖花開

6410.6紋理映射現(xiàn)實世界中的物體表面存在豐富的紋理細節(jié)，人們正是依據(jù)這些紋理細節(jié)來區(qū)分各種具有相同形狀的物體。

圖10-33為場景添加紋理細節(jié)（b）紋理映射場景（a）空白場景第64頁,共109頁，2024年2月25日，星期天65

為物體表面添加紋理的技術稱為紋理映射（texturemapping）。紋理映射是將紋理空間（texturespace）坐標（u，v）映射為物體空間（objectspace）坐標（x，y，z），再進一步映射為屏幕圖像空間（screenspace）二維物體表面坐標（x，y）的過程，如圖10-37所示。（a）紋理空間（b）物體空間（c）圖像空間10-37紋理映射第65頁,共109頁，2024年2月25日，星期天66當什么屬性發(fā)生改變時，可以產(chǎn)生紋理效果呢？

漫反射光模型主要產(chǎn)生紋理效果。當光源的位置不變時，單位光矢量L是一個定值。影響光強的只有漫反射系數(shù)kd和單位法矢量N的方向。EdwinEarlCatmull1974年，Catmull首先采用二維圖像來定義物體表面材質(zhì)的漫反射系數(shù)kd，這種紋理被稱為顏色紋理。1978年，Blinn提出了在光照模型中適當擾動物體表面的單位法矢量N的方向產(chǎn)生表面凹凸紋理的方法，被稱為幾何紋理。第66頁,共109頁，2024年2月25日，星期天67

JimBlinn,全名JamesF.Blinn，世界圖形學先驅(qū)。曾榮獲Siggraph年度計算機圖形學成就獎。系微軟公司研究所圖形學研究員。凸凹紋理映射:由JimBlinn發(fā)明，用法向擾動技術模擬帶褶皺的曲面。Bumpmapping最初由JimBlinn在1978年發(fā)明。第67頁,共109頁，2024年2月25日，星期天68顏色紋理映射可以有兩種實現(xiàn)方法，一種方法是直接用紋理的顏色替代物體表面的顏色。在這種情況下，不必進行光照計算。另一種方法是紋理數(shù)據(jù)參加光照計算。在這種情況下，物體表面的紋理會顯示光照效果，但這會影響到鏡面高光效果。因為鏡面反射光的顏色是由光源顏色決定的，而與物體本身材質(zhì)顏色無關。處理方法是將鏡面反射光分離出來，通過設置材質(zhì)漫反射系數(shù)kd完成紋理映射后，再將鏡面反射光分量加上去。第68頁,共109頁，2024年2月25日，星期天6910.6.1顏色紋理

通過顏色變化表現(xiàn)出來的表面細節(jié)，稱為顏色紋理。顏色紋理難以直接構(gòu)造，常采用函數(shù)紋理或圖像紋理來描述表面細節(jié)。為了使映射在物體表面的顏色紋理不因物體位置的改變而漂移，需要將顏色紋理綁定到物體的表面上。一般采用物體表面的參數(shù)化方法來確定表面的紋理坐標。

木紋大理石包裝盒第69頁,共109頁，2024年2月25日，星期天70函數(shù)紋理紋理一般定義在單位正方形區(qū)域（0≤u≤1，0≤v≤1），稱為紋理空間。理論上，任何定義在此空間內(nèi)的函數(shù)都可以作為紋理函數(shù)，實際上，常采用一些特殊的函數(shù)來模擬現(xiàn)實世界中存在的紋理，如國際象棋棋盤紋理函數(shù)、粗布紋理函數(shù)等

。（1）國際象棋棋盤紋理函數(shù)（10-38）其中，0＜a＜b＜1，表示不大于x的最大整數(shù)。a和b是RGB宏的顏色分量。第70頁,共109頁，2024年2月25日，星期天71

（a）a=0.9,b=0.1（b）a=0.1,b=0.9（c）a=1.0,b=0.0（d）a=0.0,b=1.0第71頁,共109頁，2024年2月25日，星期天72doublea,b;for(doubleu=0.0;u<=1.0;u+=0.001)for(doublev=0.0;v<=1.0;v+=0.001){

if(0==(int(floor(u*8))+int(floor(v*8)))%2)//偶數(shù)

{ a=0.9; pDC->SetPixelV(Round(u*500-250),Round(v*500-250),RGB(a*255,a*255,a*255)); } else { b=0.1; pDC->SetPixelV(Round(u*500-250),Round(v*500-250),RGB(b*255,b*255,b*255)); }}第72頁,共109頁，2024年2月25日，星期天73（2）粗布紋理函數(shù)

（10-39）式中，A為[0,1]上的隨機變量，p，q為頻率系數(shù)。

（a）p=100,q=100（b）p=50,q=100（c）p=100,q=50圖10-40粗布紋理第73頁,共109頁，2024年2月25日，星期天74voidCTestView::OnDraw(CDC*pDC){ CTestDoc*pDoc=GetDocument(); ASSERT_VALID(pDoc);

//TODO:adddrawcodefornativedatahere CRectrect; GetClientRect(&rect); pDC->SetMapMode(MM_ANISOTROPIC); pDC->SetWindowExt(rect.Width(),rect.Height()); pDC->SetViewportExt(rect.Width(),-rect.Height()); pDC->SetViewportOrg(rect.Width()/2,rect.Height()/2); doublep=100,q=100; for(doubleu=0.0;u<=1.0;u+=0.001) for(doublev=0.0;v<=1.0;v+=0.001) { doubleA=double(rand())/RAND_MAX; doublef=A*(cos(p*u)+cos(q*v)); pDC->SetPixelV(Round(u*500-250),Round(v*500-250),RGB(f*255,f*255,f*255)); }}第74頁,共109頁，2024年2月25日，星期天75（3）立方體表面紋理映射立方體表面進行紋理映射的變換矩陣為

圖10-41二維函數(shù)紋理圖10-42立方體的一個三維表面第75頁,共109頁，2024年2月25日，星期天76，，，，將立方體表面上的一點P（x，y，z）表達為（u,v）的參數(shù)形式，解得第76頁,共109頁，2024年2月25日，星期天77

圖10-43立方體函數(shù)紋理映射（a）國際象棋棋盤函數(shù)紋理（b）粗布函數(shù)紋理第77頁,共109頁，2024年2月25日，星期天78（4）圓柱面函數(shù)紋理映射高度為h、截面半徑為r、三維坐標系原點位于底面中心。圓柱面的參數(shù)方程為（10-43）第78頁,共109頁，2024年2月25日，星期天79圓柱面的uv化表示為（10-45）

圖10-45圓柱面函數(shù)紋理映射第79頁,共109頁，2024年2月25日，星期天80（5）圓錐面函數(shù)紋理映射高度為h，底面半徑為r，三維坐標系原點位于底面中心的圓錐面的參數(shù)方程為（10-46）圓錐面?zhèn)让嬲归_圖是扇形，通過下述線性變換將紋理空間[0,1]×[0,1]與物體空間[0,2π]×[0,1]等同起來。（10-47）第80頁,共109頁，2024年2月25日，星期天81圓錐面的uv化表示為（10-48）圖10-46圓錐面函數(shù)紋理映射第81頁,共109頁，2024年2月25日，星期天82

（6）球面函數(shù)紋理映射球心位于三維坐標系原點，半徑為r的球面參數(shù)方程為（10-49）球面是二次曲面，通過下述線性變換將紋理空間[0,1]×[0,1]與物體空間[0,2π]×[0,π]等同起來。球面的uv化表示為（10-50）（10-51）第82頁,共109頁，2024年2月25日，星期天83

圖10-47球面函數(shù)紋理映射第83頁,共109頁，2024年2月25日，星期天84（7）圓環(huán)面函數(shù)紋理映射圓環(huán)中心位于三維坐標系原點，半徑為r1和r2的圓環(huán)面的參數(shù)方程為（10-52）圓環(huán)面是二次曲面，通過下述線性變換將紋理空間[0,1]×[0,1]與物體空間[0,2π]×[0,2π]等同起來。（10-53）圓環(huán)面的uv化表示為（10-54）第84頁,共109頁，2024年2月25日，星期天85

圖10-48圓環(huán)面函數(shù)紋理映射第85頁,共109頁，2024年2月25日，星期天862.圖像紋理函數(shù)紋理是使用數(shù)學方法定義的簡單二維紋理圖案，這種紋理規(guī)則而單調(diào)。為了增強紋理的表現(xiàn)力，一個自然的想法是將一幅來自數(shù)碼相機的二維圖像作為紋理映射到物體上。圖像紋理映射需要建立物體表面上每一采樣點與已知圖像上各點（稱為紋素，texel）的對應關系，取圖像上點的顏色值作為物體表面上采樣點的顏色值，然后采用光照模型來計算該點處的光強。圖像紋理映射既可以采用將圖像紋理綁定到物體頂點上的方式實現(xiàn)也可以采用將圖像紋理綁定到表面上的方式實現(xiàn)。前者一般用于映射單幅圖像，僅需要正確處理圖像接縫，后者一般用于映射多幅圖像。第86頁,共109頁，2024年2月25日，星期天87toprightfrontbackleftbottom對于立方體，由于使用6幅圖像紋理，一般采用綁定到表面上的方式實現(xiàn)。讀入立方體6個表面所對應的位圖的代碼如下：第87頁,共109頁，2024年2月25日，星期天88第88頁,共109頁，2024年2月25日，星期天89圖10-50立方體圖像紋理映射效果圖八面體貼圖第89頁,共109頁，2024年2月25日，星期天90圓柱面、圓錐面、球面和圓環(huán)面僅使用一幅位圖就可以實現(xiàn)圖像紋理映射，一般采用綁定到物體頂點上的方式實現(xiàn)。圓柱面圖像紋理映射效果如圖10-51所示。圓錐面圖像紋理映射效果如圖10-52所示。球面圖像紋理映射效果如圖10-53所示。圓環(huán)面圖像紋理映射效果如圖10-54所示。圖10-52圓錐面圖像紋理映射圖10-51圓柱面圖像紋理映射第90頁,共109頁，2024年2月25日，星期天91

圖10-54圓環(huán)面圖像紋理映射圖10-53球面圖像紋理映射（未進行紋理反走樣處理）第91頁,共109頁，2024年2月25日，星期天9210.6.2三維紋理

由于紋理是二維的，而物體是三維的，很難在物體表面的連接處做到紋理自然過渡，極大地降低了圖形的真實感。假如在三維物體空間中，物體上的每一個點P(x,y,z)均有一個紋理值t(x,y,z)，其值由紋理函數(shù)惟一確定。那么對于物體上的空間點，就可以映射到一個定義了紋理函數(shù)的三維空間上了。由于三維紋理空間與物體空間維數(shù)相同，在進行紋理映射時，只需把場景中的物體變換到紋理空間即可。1985年，Peachey用一種簡單的規(guī)則三維紋理函數(shù)首次成功地模擬了木制品的紋理效果。其基本思想是采用一組共軸圓柱面來定義三維紋理函數(shù)，即把位于相鄰圓柱面之間的紋理函數(shù)值交替地取為明和暗。這樣物體上任一點的紋理函數(shù)值可根據(jù)它到圓柱軸線所經(jīng)過的圓柱面?zhèn)€數(shù)的奇偶性而取為明和暗。第92頁,共109頁，2024年2月25日，星期天93圖10-55共軸圓柱面的橫截面上述定義的木紋函數(shù)過于規(guī)范，Peachey引入了三個簡單的操作來克服這一缺陷：擾動（perturbing）對共軸圓柱面的半徑進行擾動。扭曲（twisting）在圓柱軸向加一個扭曲量。傾斜（tilting）將圓柱面圓心沿木塊的截面傾斜。圖10-56共軸圓柱面坐標系取共軸圓柱面的軸向為y軸，橫截面為x和z軸，如圖10-56所示。則對于半徑為r1的圓柱，參數(shù)方程為第93頁,共109頁，2024年2月25日，星期天94若使用2sinαθ作為木紋的不規(guī)則生長擾動函數(shù)，并在y軸方向附加的扭曲量，得到（10-55）式中：a，b為常數(shù)，上式即為原半徑r1的圓柱面經(jīng)變形后為半徑r2的表面方程，最后使用三