第12讲光照明模型

《第12讲光照明模型》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第12讲光照明模型（108页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、光照明模型： 模拟物体表面的光照明物理现象的数学模型 对自然界复杂光照的抽象和近似描述,第12讲 光照明模型,1 简单光,第12讲 光照明模型,一 简单光照明模型,简单光照明模型只考虑光源对物体的直接光照的反射作用。 通常物体表面的反射光可以认为包含三个分量：对环境光的反射、对特定光源的漫反射和镜面反射。,简单光照明模型,基础知识 Phong光照明模型 增量式光照明模型 阴影的生成,模拟物体表面对光的反射作用 光源为点光源 物体间作用用环境光表示。 反射作用分为 漫反射 镜面反射,Phong光照明模型,光源的种类,点光源:如果光源大小比场景中的物体小得多，可以假定光线是从一个点向四周均匀发散的

2、，它是发光体最简单的模型。 线光源:以看作是多个点光源在一维空间上的合成，例如模拟荧光灯管这类长条形的光源。 面光源:即可以看作线光源在高一维空间的合成，也可看作点光源在二维空间的合成。它可以用来模拟发光的块状物体，例如烧红的铁块。,环境光,环境光（ambient light）：是邻近各物体所产生的光的多次反射最终达到平衡时的一种光，环境光是指光源间接对物体的影响。 例如，透过厚厚云层的阳光就可以称为环境光， 室内环境光即为墙壁、天花板、地板及室内各物体之间光的多次反射结果。 可近似地认为其光强分布是均匀的，抽象为单一的强度值，它在任何一个方向上的分布都相同，统一地影响场景中所有物体的所有表面

3、。,物体上某点的光强可以表示 Ie=Ia Ka Ia为环境光的光强 Ka为物体对环境光的反射系数,环境光,环境光,一个可见物体在只有环境光的照射下其各点的明暗程度均一样，并让没有受到光源直接照射的地方也有明亮度，区分不出哪处明亮，哪处暗淡。因此，只有环境光是不能产生真实感图形的。,漫反射,环境光是对光照现像的最简单抽象，因而局限性很大。它仅能描述光线在空间中无方向并均匀散布时的状态。很多情况下，入射光是带有方向的，比如典型的阳光。 如果光照射到比较粗糙的物体表面，如粉笔，由于这些表面从各个方向等强度地反射光，因而从各个视角出发，物体表面呈现相同的亮度，所看到的物体表面某点的明暗程度不随观测者的

4、位置变化的，这种等同地向各个方向散射的现象称为光的漫反射,漫反射,简单光照模型模拟物体表面对光的反射作用。 光源被假定为点光源，其几何形状为一个点，向周围所有方向上辐射等强度的光，在物体表面产生反射作用。,漫反射,漫反射光的强度近似地服从于Lambert定律，即漫反射光的光强仅与入射光的方向和反射点处表面法向夹角的余弦成正比。,漫反射光强为：,漫反射,Ip为入射光强 物体表面上点P的法向为N 从点P指向光源的向量为L Kd与物体有光的漫反射系数,漫反射,当L，N为单位向量时,漫反射,漫反射的颜色可由入射光的颜色和物体表面的颜色共同设定。 例如，在RGB颜色模型下，物体的漫反射系数Kd的三元组(

5、Kdr Kdg Kdb)分别代表RGB三原色的漫反射系数，它们设定物体颜色，同样，照射光I的三元组为(Idr Idg Idb)，通过这些分量的调整得到不同的彩色光照效果,镜面反射,如果光照射到相当光滑的表面，就产生镜面反射 镜面反射的特点是在光滑表面会产生一块称之为高光的特亮区域 镜面反射遵循光的反射定律,镜面反射光强可表示为：,Ks是与物体有关的镜面反射系数（与物体的颜色无关） 为视线V与反射方向R的夹角 n为反射指数，反映物体表面的光泽程度，数目越大物体表面越光滑。,镜面反射,镜面反射,将V和R都规范为单位向量，镜面反射光强可表示为,反射方向R计算：R=N2cos-L=2N(NL)-L,P

6、hong光照明模型的综合表述： 由物体表面上一点P反射到视点的光强I为环境光的反射光强Ie、理想漫反射光强Id、和镜面反射光强Is的总和。,Phong光照明模型,Phong光照明模型,V为视线方向,在简单光照明模型中，只能通过设置物体的漫反射系数来控制物体的颜色。,Phong光照明模型的实现 对物体表面上的每个点P，均需计算光线的反射方向。为了减少计算量，假设： 光源在无穷远处，L为常向量。 视点在无穷远处，V为常向量。 （HN）近似（RV），H为L与V的平分向量。,Phong光照明模型,Phong光照明模型的RGB颜色模型形式：,Phong光照明模型,理想漫反射,=,Phong模型示例,Ph

7、ong光照明模型,Phong光照明模型是真实感图形学中提出的第一个有影响的光照明模型 经验模型，Phong模型存在不足： 显示出的物体象塑料，无质感变化 没有考虑物体间相互反射光 镜面反射颜色与材质无关 镜面反射大入射角失真现象,增量式光照明模型,前面讨论的光照模型最后的显示结果均依赖于物体表面法向量（N）的计算而当今流行的三维不规则几何物体通常是用多边形（三角形）来近似模拟的。 由于每一个多边形的法向一致，因而多边形内部的象素的颜色都是相同的，而且在不同法向的多边形邻接处，光强突变，使具有不同光强的两个相邻区域之间的光强不连续性(马赫带效应)。为了保证多边形之间的光滑过渡，使连续的多边形呈现

8、匀称的光强，就需要根据某种规则对顶点间的各种信息进行加权平均，即所谓的插值算法。,牛的三角网格模型,用简单光照明模型显示,用增量式光照明模型显示,增量式光照明模型,增量式光照明模型,插值算法的基本思想 在每一个多边形的顶点处计算出光照强度或参数，然后在各个多边形内部进行均匀插值，得到多边形的光滑颜色分布 计算机图形学中的两个主要算法是 Gouraud明暗处理(双线性光强插值算法) Phong明暗处理(双线性法向插值算法),1. 双线性光强插值（Gouraud明暗处理） 算法步骤的基本描述： 计算多边形顶点的平均法向。 用简单光照明模型计算顶点的平均光强。 插值计算离散多边形边上的各点光强。 插

9、值计算多边形内域中各点的光强。,Gouraud明暗处理,（1）顶点法向计算 与某个顶点相邻的所有多边形的法向平均值近似作为该顶点的近似法向量。 顶点A相邻的多边形有k个，它的法向量计算为：,Gouraud明暗处理,Gouraud明暗处理,（2）顶点平均光强计算 用Phong光照明模型及平均法向量计算在顶点A处的光强,Gouraud明暗处理,（3）光强插值 由顶点的光强插值计算各边的光强，然后由各边的光强插值计算出多边形内部点的光强。,Gouraud明暗处理,2. 双线性法向插值（Phong明暗处理）,Phong明暗处理,将镜面反射引进到明暗处理中， 解决了高光问题。,Phong明暗处理,算法特

10、点： （1）保留双线性插值，对多边形边上的点和内域各点，采用增量法。 （2）对顶点的法向量进行插值，而原顶点的法向量，仍用相邻多边形的法向作平均。 （3）由插值得到法向，来计算多边形每个象素的光强度。 （4）假定光源与视点均在无穷远处，光强只是法向量的函数。,法向插值方法 方法与光强插值类似，其中的光强项用法向量项来代替。基本公式：,Phong明暗处理,增量式光照明模型评价 （1）双线性光强插值能有效的显示漫反射曲面，计算量小。 （2）双线性法向插值可以产生正确的高光区域，但是计算量要大的多。 （3）增量式光照明模型的不足： 物体边缘轮廓是折线段而非光滑曲线。 等间距扫描线会产生不均匀效果。

11、插值结果决定于插值方向。,增量式光照明模型,阴影的生成,阴影的生成,Why shadow?,无阴影图像,An image with shadow,阴影的生成,无阴影的物体似乎浮在场景之上 阴影则增加了场景的真实感 阴影使场景给人以想象的空间 阴影给定了光源与物体在场景中相对位置的信息,阴影的生成,阴影是由于光源被物体遮挡而在该物体后面产生的较暗的区域。 在真实感图形学中，通过阴影可以反映出物体之间的相互关系，增加图形的立体效果和真实感。 确定了物体的阴影区域后，结合到简单光照模型，对于物体表面的多边形，如果在阴影区域内部，那么该多边形的光强就只有环境光，后面的几项光强都为零，否则就用正常的模型

12、计算光强。 通过这种方法，就可以把阴影引入简单光照明模型中，使产生的真实感图形更有层次感。,阴影的生成,Shadow polygon(阴影多边形) : J. F. Blinn. Jim Blinns Corner: Me and My (Fake) Shadow. IEEE Comput. Graph. Appl.,8(1):8286, January 1988. Shadow volume : F. C. Crow. Shadow Algorithms for Computer Graphics. Computer Graphics (Proc. SIGGRAPH77), 11(2):242

13、248, July 1977. Shadow buffer(double buffer) : Lance Williams. Casting Curved Shadows on Curved Surfaces. Computer Graphics (Proc.SIGGRAPH 78), 12(3):270274, 1978.,三种基本算法(Three basic shadow algorithms),阴影的生成,阴影多边形,Algorithm II: Shadow Buffer(cont.),Algorithm III: Shadow Volume(cont.),二 局部光照明模型,从光电学知

14、识和物体微平面假设出发，介绍镜面反射与物体材质有关的普遍局部光照明模型,电子与信息工程学院 计算机科学与技术系,仅处理光源直接照射物体表面的光照明模型称为局部光照明模型 可以处理物体之间光照的相互作用的模型称为整体光照明模型 简单光照明模型，经验模型，不足之处 镜面反射项与物体表面的材质无关 有必要研究复杂、普遍的局部光照明模型,局部光照明模型,用局部光反射模型生成的各种材质的瓶子,局部光照明模型,局部光照明模型,理论基础 局部光照明模型,1. 光的电磁理论 光的振动是电磁振动，光波是电磁波的一种。 光波由电矢量E 和磁矢量 H组成。 电矢量的振动只限于某一确定方向的光称为平面偏振光，我们把电

15、矢量在各个方向上的时间平均值相等的光称为自然光。 可以认为：自然光的一半能量属于与入射面平行的振动，另一半能量属于与入射面垂直的振动。,理论基础,理论基础,2. 光的衰减 两个阶段： 1）从光源到物体表面的过程中的衰减 2）从物体表面到人眼过程中的衰减 总的效果：物体表面的亮度降低,看光强的衰减动画,3. 微平面理论 简单光照明模型假定物体表面是理想光滑的，实际在微观情况下，物体表面粗糙不平。 局部光照明模型中反映物体表面的粗糙程度 粗糙物体表面由无数微小理想镜面组成。 这些平面朝向各异，随机分布。 对于每一个微平面，只有在它的反射方向上才有反射光，而其他方向上没有光出现。,理论基础,微平面示

16、意图,理论基础,Cook和Torrance于1982年提出。 Rbd表示物体对入射光的反射率系数,Ir ：反射光的光强 Ei：单位时间内单位面积上的入射光能量,局部光照明模型,二 局部光照明模型,入射光能量Ei,可用入射光的光强Ir和单位面积向光源所张的立体角dw表示为:,于是有反射光光强：,局部光照明模型,反射率系数可表示为漫反射率与镜面反射率的代数和,漫反射与镜面反射系数,物体表面的漫反射率,物体表面的镜面反射率,局部光照明模型,局部光照明模型表示,Ir 表示物体表面反射光强。 IaKa 表示环境光的影响。,局部光照明模型,简单与局部模型比较,简单光照明模型(Phong) 局部光照明模型,局部模型的优点,相对于简单光照明模型而言 基于入射光能量导出的光辐射模型 反映表面的粗糙度对反射光强的影响 高光颜色与材料的物理性质有关 改进入射角很大时的失真现象 考虑了物体材质的影响，可以模拟磨光的金属光泽,三 光透射模型,播放透射动画,光透射模型,自然界的许多物体是透明或半透明的。 通过透明物体（如玻璃窗），能清楚地看到其后面的物体，此时，光线