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1、第第1010章章 真实感图形绘制真实感图形绘制 10 1 简单光照模型 10 2 10 3 10 4 透明处理 10 5 整体光照模型与光线跟踪 10 6 纹理映射 1 基本概念基本概念 真实感图形绘制 通过综合利用数学 物理学 计算机以及心理 学等知识在计算机图形输出设备上绘制出能够 以假乱真的美丽景象 应用于仿真模拟 几何造型 广告影视 指挥 控制 科学计算可视化 是计算机图形学研究 中的重点内容之一 2 基本概念基本概念 光强 度 描述物体表面朝某方向辐射光 的颜色 它既能表示光能大小又能表示其色 彩组成的物理量 光照模型 Illumination model 也称明 暗模型 主要用于物
2、体表面某点处的光强度 计算 简单的光照模型 具有一定的真实感效果 复杂的光照模型 能够模拟出更为精致的光照效果 3 基本概念基本概念 真实感图形绘制步骤 在计算机中进行场景造型 进行取景变换和透视变换 进行消隐处理 进行真实感图形绘制 根据假定的光照条件和景物外观因素 依据一定的光 照模型 计算可见面投射到观察者眼中的光强度大小 并将它转换成适合图形设备的颜色值 生成投影画 面上每一个象素的光强度 使观察者产生身临其境的 感觉 4 10 1 10 1 简单光照模型简单光照模型 简单光照模型只考虑反射光的作用 而不考虑透 射光 假设物体不透明 那么物体表面呈现的颜 色仅由其反射光决定 通常人们将
3、反射光考虑成3 个分量的组合 即 反射光 环境反射光 漫反射光 镜面反射光 简单光照模型将光在物体之间的传播效果笼统地 模拟为环境光 只考虑光源的直接照射 因此又 称为局部光照模型 与此对应 把处理物体之间 光照的相互作用的模型称为整体光照模型 5 10 1 1 10 1 1 环境反射光环境反射光 环境反射光是临近物体所造成的光多次反射 所产生的 这种光的特点是 照射在物体上 的光来自周围各个方向 又均匀地向各个方 向反射 如图10 1所示 例如 室内的环境 光是天花板 地板和墙壁等物体之间的光多 次反射的结果 6 特点 照射在物体上的光来自周围各个方向 又均匀地向各个方向反射 P点对环境光的
4、反射强度为 其中 Ia为环境光的光强 Ka为物体对环境光的 反射系数 与环境的明暗度有关 环境光的反射 环境光 环境光 Background LightBackground Light 7 8 10 1 2 10 1 2 漫反射光漫反射光 一个粗糙的 无光泽的表面呈现为漫反射 Diffuse Reflection 当光线照射到这样的表面上时 光线沿各 个方向都有相同的反射 所以从任何角度看这种表面都具 有相同的亮度 这种反射光源来自一个方向 但反射光却 均匀地射向各个方向 如图10 2所示 所谓漫反射光是由 特定光源在物体表面反射光中那些向空间各方向均匀反射 出去的光 这种光的反射强度与观察点
5、的位置是无关的 它的光强度与入射光的方向和反射点处表面法线之间夹角 余弦成正比 即漫反射光的强度计算可用朗伯 Lambert 余弦定理来计算 9 漫反射光 漫反射光 Diffuse ReflectionDiffuse Reflection 由Lambert余弦定理可得点P处漫反射光的 强度为 其中 Id为表面漫反射光的光亮度 Kd为物体表面漫反射率 0 1 Ip为入射光的光亮度 为光源的入射角 10 漫反射 漫反射光 漫反射光 Diffuse ReflectionDiffuse Reflection 若L和N都已规格化为单位矢量 则有 11 12 10 1 3 10 1 3 镜面反射光镜面反射
6、光 许多物体 如擦亮的金属 光滑的塑料等 受光照后表现出特有的光泽 给人感觉很真 实 如果一个点光源照射到一个抛光的金属 球上 在球面上形成一块特别亮的区域 呈 现 高光 它就是光源在金属球表面上产生 的镜面反射光 与环境反射光和漫反射光不 同 镜面反射光是朝一定方向的反射光 13 Phong采用余弦函数的幂次来模拟镜面反射光 其中 Is为物体表面镜面反射光亮度 Ip为入射光的光亮度 为镜面反射方向和视线方向的夹角 Ks为镜面反射率 n为镜面反射光的会聚指数 又称 高光 指数 若R和V已规格化为单位矢量 则 PhongPhong模型模型 14 15 物体表面光强计算物体表面光强计算 从视点观察
7、到物体上任一点P处的光强度I应 为环境光反射光强度Ie 漫反射光强度Id以 及镜面反射光的光强度Is的总和 16 10 1 4 10 1 4 光强衰减光强衰减 在同一光源照射下 距离光源近的景物比距 离光源远的景物看起来更亮一些 这是因为 光在传播过程中其能量会产生衰减 若要得 到真实感的光照效果 光照模型中必须考虑 光强的衰减问题 光强的衰减和光源距离景 物的距离d有关系 通常使用d的线性或二 次函数的倒数来实现光强度的衰减处理 17 光强衰减光强衰减 光在传播的过程中 其能量会发生衰减 光 照模型中必须考虑光强衰减 否则会影响生 成图形的真实效果 光强的衰减可以采用常数衰减 一次函数衰 减
8、和二次函数衰减等 18 光强衰减光强衰减 常用的二次衰减函数 19 10 1 5 10 1 5 颜色处理颜色处理 产生彩色的场景要分两步完成 选择合适的颜色模型 颜色模型在第9章 已经叙述过 可以是RGB模型 CMY模 型或HSV模型等 为颜色模型的基色分别建立光照模型 20 颜色颜色 选择颜色模型 color model 面向硬件的颜色模型 RGB CMY 面向视觉感知的颜色模型 HSI HSV 为颜色分量指定光照模型 21 颜色颜色 以RGB颜色模型为例 环境光强度 入射光强度 环境光反射系数 漫反射系数 镜面反射系数 22 颜色颜色 光强计算公式 23 10 2 10 2 明暗处理明暗处
9、理 10 2 1 10 2 1 恒定光强的明暗处理恒定光强的明暗处理 恒定光强的多边形绘制方式获得的场景才 较为真实 光源在无穷远处 即多边形上所有点的为 常数 衰减函数也是一个常数 视点在无穷远处 即多边形上所有点的为 常数 多边形是景物表面的精确表示 即不是一 个含曲线景物的近似表示 24 10 2 10 2 明暗处理明暗处理 10 2 1 10 2 1 恒定光强的明暗处理恒定光强的明暗处理 25 10 2 10 2 明暗处理明暗处理 10 2 2 10 2 2 GouraudGouraud明暗处理明暗处理 Gouraud明暗处理方法的步骤如下 1 计算多边形的单位法矢量 2 计算每个多边
10、形顶点处的平均单位法矢量 如图 10 7所示 在多边形各顶点处 通过将共享该顶点的所 有多边形面的法向量取平均值而得到该点对应的法矢量 顶点V处的法矢量可近似地取共享顶点V的多边形单位 法矢量的平均值 3 对每个顶点使用简单光照模型计算该顶点的光强 颜色 4 在多边形表面上对顶点光强进行线性插值 以便 获得多边形内部各点的光强 颜色 26 10 2 10 2 明暗处理明暗处理 10 2 3 10 2 3 PhongPhong明暗处理明暗处理 Phong明暗处理方法的基本思想是通过对多边 形顶点的法矢量进行插值 获得其内部各点的 法矢量 具体步骤如下 计算每个多边形的单位法矢量 计算多边形顶点的
11、单位法矢量 对多边形顶点法矢量进行双线性插值 获得内 部各点的法矢量 利用光照模型计算多边形内部各顶点的颜色 27 10 2 10 2 明暗处理明暗处理 10 2 3 10 2 3 PhongPhong明暗处理明暗处理 28 10 3 10 3 阴影处理阴影处理 10 3 1 10 3 1 自身阴影生成自身阴影生成 自身阴影生成的原理较为简单 其过程如下 首先将视点置于光源位置 即以光线照射方向作为观察 方向 对应用光照模型的物体实施消隐算法 即判别出 在光照模型下的物体的 隐藏面 并在数据文件中加以 标识 然后按实际的视点位置和观察方向 对物体实施消隐处 理 即生成真正消隐后的三维形体 检索
12、数据文件 核查消隐后生成的图形中是否包含有在 光照模型下的 隐藏面 如有则以阴影符号标识这些面 29 10 3 10 3 阴影处理阴影处理 10 3 2 10 3 2 投射阴影生成投射阴影生成 影域多面体方法 Z缓冲器方法 光线跟踪生成方法 30 10 4 10 4 透明处理透明处理 10 4 1 10 4 1 透明效果的简单模拟透明效果的简单模拟 1 差值透明方法 2 过滤透明方法 31 10 4 10 4 透明处理透明处理 10 4 2 10 4 2 考虑折射的考虑折射的透明处理透明处理 32 10 5 10 5 整体光照模型与光线跟踪整体光照模型与光线跟踪 10 5 1 10 5 1 整
13、体光照模型概述整体光照模型概述 简单光照模型 亦称局部光照模型 没有考虑周围环境 对当前景物表面的光照影响 忽略了光在环境景物之间 的传递 很难表现自然界复杂场景的高质量真实感图形 为了增加图形的真实感 必须考虑环境的漫反射 镜 面反射和规则透射对景物表面产生的整体照明效果 如 图10 14所示 从视点观察到的物体A表面的亮度来源于 三方面的贡献 光源直接照射到A的表面 然后被反射到人眼中的光产 生的亮度 光源或其它物体的光经A物体折射到人眼中的光产生的 亮度 物体B的表面将光反射到物体A的表面 再经物体A的表 面反射到人眼中产生的亮度 33 10 5 10 5 整体光照模型与光线跟踪整体光照
14、模型与光线跟踪 10 5 1 10 5 1 整体光照模型概述整体光照模型概述 34 10 5 10 5 整体光照模型与光线跟踪整体光照模型与光线跟踪 10 5 2 10 5 2 Whitted Whitted光照模型光照模型 Whitted光照模型在简单光照模型中增加了环境镜面反射光和环境 规则透射光 以模拟周围环境的光透射到景物表面上产生的理想镜 面反射和规则透射现象 Whitted光照模型基于如下假设 如图10 15所示 物体表面向视点方向V辐射的光亮度I由3部分组成 光源直接照射引起的反射光强度 沿V的镜面反射方向R来的环境光投射在光滑表面上产生的镜面反 射光 沿V的规则透射方向T来的环境光通过透射在透明物体表面上产生 的规则透射光 因此Whitted光照模型可表示为 10 29 35 10 5 10 5 整体光照模型与光线跟踪整体光照模型与光线跟踪 10 5 3 10 5 3 光线跟踪算法光线跟踪算法 36
