第8章可见面判断算法课件

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1、1,真实感图形生成,2,光照模型(1/6),Illumination Model 根据光学物理的有关定律 计算景物表面上任意一点投向观察者眼中的 光亮度的大小和色彩组成的公式 隐面消除算法 光照模型计算亮度和色彩,3,光照模型(2/6),来自光源和周围环境的入射光 照在物体表面上时，可能被 吸收吸收的入射光能转化为热能 反射 透射,4,光照模型(3/6),表面特性 景物表面的材料 反射系数决定入射光中有多少光线被反射 透明性决定有多少光线从物体后面透射过来 反射光和透射光的光谱分布决定了景物表面呈现的颜色 反射光和透射光的强弱决定了景物表面的明暗程度 景物表面的朝向 景物表面与光源的相对位置,

2、5,光照模型(4/6),照明特性 光源的性质 几何性质：点光源、线光源、面光源、体光源 色彩（光谱分布） 强度 方向 点光源 向周围辐射等强度的光,6,光照模型(5/6),局部光照模型 只考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果 景物表面通常被假定为不透明，均匀反射率 整体光照模型 考虑周围环境对景物表面的影响 不仅能模拟 连续的明暗色调、镜面高光、阴影 还能模拟 镜面映像、光的折射、相邻景物表面之间的色彩辉映等较为复杂精致的效果,7,光照模型(6/6),基本光照模型 环境光模型 Lambert漫反射模型 镜面反射和Phong模型,8,环境光模型(1/4),ambient light 也称背

3、景光，或泛光 从周围环境的各个方向投射来的光 没有空间或方向上的特征 均匀地照射在物体的各个不同的表面上 等量地向各个方向反射 分布光源 精确模拟很耗时,9,环境光模型(2/4),近似模拟的环境光模型,10,环境光模型(3/4),特点 物体表面对环境光反射的强度 与无关 入射光的入射方向 观察者的观察方向 物体表面的朝向 仅与有关 环境光强度 物体表面对环境光的反射系数（材质属性）,11,环境光模型(4/4),缺点 物体各个面具有同样的亮度 只能为景物表面产生一个平淡的明暗效果 观察者很难辨别景物各个面的层次 不真实，不实用 绘制三维场景时很少仅考虑环境光的作用 通常至少要用一个点光源来照射物

4、体 在调试阶段可节省不必要的明暗度计算 调试变换、投影、求交、消隐程序,12,漫反射模型(1/3),diffuse reflection 可看成光穿过物体表面层被部分吸收后重新发射出来的光 自然界中的绝大多数景物为理想漫反射体 粗糙、无光泽表面，如纸张、石灰粉刷的白墙等,13,漫反射模型(2/3),Lambert余弦定律 理想漫反射体 在点光源照射下的光的反射规律 漫反射光强度 同入射光与物体表面法向之间夹角的余弦成正比,景物表面在被照射点处的漫反射光的光强,14,漫反射模型(3/3),特点： 对光线沿各个方向作同等光强的散射 各点反射光的强度只与有关 点光源强度、入射角 物体表面的反射系数

5、物体各面的朝向 而与无关 观察者的观察位置,15,镜面反射模型（1/9）,Specular Reflection 是物体外表面对入射光的直接反射 非漫反射体 有光泽的表面，如光滑的塑料、擦亮的金属等 高光区域 high light 物体表面越光滑，高光区越小，越亮,16,理想的反射体（纯镜面） 入射光严格遵循光的反射定律单向地反射出去 一般光滑表面 在微观上物体表面面元是由许多朝向不同的微小平面组成 其镜面反射光分布于物面镜面反射方向的周围,镜面反射模型（2/9）,17,镜面反射模型（3/9）,镜面反射光特点 空间分布具有一定方向性 光强不仅取决于入射光和表面材料，还与观察方向有关 具有与入射

6、光相同的性质,18,镜面反射模型（4/9）,1973年，Phong Bui Tuong（博士论文）提出 Phong镜面反射模型 简称Phong模型 计算镜面反射光光强的经验公式,19,镜面反射模型（5/9）,Phong模型 采用余弦函数的幂次模拟一般光滑表面的镜面反射光光强的空间分布,20,镜面反射模型（6/9）,镜面高光指数 用于模拟镜面反射光在空间的会聚程度 由物体表面材质的光滑程度决定,21,镜面反射模型（7/9）,镜面高光指数 较光滑的物体表面（如金属、玻璃等） 光强的空间分布较集中，高光范围较小 宜取较大的值（大于100或更大） 粗糙的物体表面（如纸张、木材、粉笔等） 光强的空间分布

7、较分散，高光范围较大 宜取较小的值（小于或接近于1）,22,镜面反射模型（8/9）,Phong光照明模型,为计算方便，镜面高光分量可改写成,23,真实感图形学中提出的第一个有影响的光照明模型 存在问题 显示出的物体（如塑料）没有质感 环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光 镜面反射的颜色是光源颜色，与物体的材料无关 镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真,镜面反射模型（9/9）,24,简单透明模型（1/5）,透明物体 如玻璃杯、花瓶、水 不但会反射光，还会透射光 可通过它看到它背后的物体 折射的几何定律 Snell定理,25,简单透明模型（2/5）,折射对视觉产生的影响 折射导致光的传播方

8、向发生改变 会影响到物体的可见性,26,简单透明模型（3/5）,精确模拟折射现象 需要大量计算，很费时 简单透明模型 不考虑折射的影响 假设各物体间的折射率不变 折射角总是等于入射角 好处 加速了光强度的计算 对较薄的多边形表面也可生成合理的透明效果,27,简单透明模型（4/5）,简单透明模型 Newell和Sanche提出,28,简单透明模型（5/5）,若第二个物体表面也是透明面 上述算法可以递归地进行下去 直到遇到一个不透明面或背景时为止 适应性 线性近似算法不适用于曲面物体 因为在曲面的侧影轮廓线上，材料的厚度减少了透明度,29,多边形表示的明暗处理（1/7）,问题的提出 用多边形网格来

9、逼近和表示曲面时 曲面光照效果就呈现不连续的光亮度跳跃变化 解决方法 用尽可能小的多边形来逼近和表示曲面，使光照效果中存在的不连续的光亮度跳跃变化小于人类视觉的分辨率 Gouraud明暗处理 Phong明暗处理,30,Gouraud明暗处理 多边形内部各点颜色的获得 对顶点颜色双线性插值,多边形表示的明暗处理（2/7）,31,Gouraud明暗处理步骤 对多边形网格中的每一个多边形： 1）计算多边形的单位法矢量； 2）计算多边形顶点的单位法矢量； 3）利用光照模型计算顶点的颜色； 4）在扫描线消隐算法中 对多边形顶点颜色进行双线性插值 获得位于多边形内扫描线上各点的颜色,多边形表示的明暗处理（

10、3/7）,32,优点 简单易行 缺点 只适用于简单的漫反射光照模型 线性光强度插值引起的Mach-band效应,多边形表示的明暗处理（4/7）,33,Phong明暗处理 多边形内部各点法矢量的获得 对顶点法矢量双线性插值,多边形表示的明暗处理（5/7）,34,Phong明暗处理步骤 1）计算多边形的单位法矢量； 2）计算多边形顶点的单位法矢量； 3）在扫描线消隐算法中 对多边形顶点法矢量进行双线性插值 获得位于多边形内的扫描线上各点的法矢量； 4）利用光照模型计算各点的颜色,多边形表示的明暗处理（6/7）,35,优点 绘制的图形比Gouraud方法更真实 缺点 计算量远大于Gouraud方法,

11、多边形表示的明暗处理（7/7）,36,半色调技术（1/15）,Halftone 在光强等级范围较小的输出设备上输出图像 将多灰度级图像数据转换成能反映其灰度变化的黑白二值图像 通过将多个像素单元组合起来表示一种强度值 目的 获得较多的灰度等级数目 提高图像的视觉分辨率,37,半色调技术（2/15）,原理 基于生理现象 当我们观察一个包含几个像素的小区域时 眼睛通过取整或将细节取平均而得到一个总体的灰度效果 输出设备（打印机） 利用这种视觉效果来再现多灰度级图像 半色调图像 应用 色染、纺织、彩色打印、印刷等领域,38,半色调技术（3/15）,模式单元法 halftone patterns 用矩

12、形区域中像素的不同排列模式来代表不同的像素灰度等级 用点的稀密程度来表现明暗,39,半色调技术（4/15）,可显示的灰度等级数目取决于 矩形模式单元中所包含的像素数目 系统能显示的等级数目 在二级灰度系统中，若每个单元中包含nn个像素，则可表示n2+1种灰度等级。,40,半色调技术（5/15）,设置像素模式的原则 从中心向外扩展 不使用水平或垂直的点列 避免分散、孤立,41,半色调技术（6/15）,缺点 图像视觉分辨率的改善以牺牲图像的空间分辨率为代价 只有在图像分辨率低于输出设备分辨率时，这种结果才是可以接受的,42,半色调技术（7/15）,抖动 Dithering 在不降低图像空间分辨率的

13、情况下 提高图像的视觉分辨率 两类 模式抖动（pattern dithering） 误差扩散（error diffusion）,43,半色调技术（8/15）,模式抖动 以固定模式的抖动噪音添加于像素之上以柔化其灰度运算 在图像中引入一个随机误差，在每一像素的灰度与所选阈值比较之前，将这一误差加到该像素的灰度值上,44,半色调技术（9/15）,有序抖动矩阵方法 Jarvis提出 将误差模式看成一个矩阵 被称为抖动矩阵 抖动矩阵的构造 矩阵中的相邻元素的值相差越大越好 矩阵中每个元素的值之出现一次,45,半色调技术（10/15）,nn抖动矩阵 再现n2个灰度等级 递归生成,46,半色调技术（11/

14、15）,Jarvis抖动处理步骤 把原位图的个像素的灰度值变换到0, n2范围内 将误差模式以重复的棋盘格式加到图像中 将图像中每个像素的灰度值I(x,y)与一个抖动矩阵中的相应元素D(i,j)进行比较 以决定显示的灰度值,47,半色调技术（12/15）,优点 速度快 随着n的增加，图像不丢失它的空间分辨率 缺点 处理效果不好， 赝象（artifact）,48,半色调技术（13/15）,误差扩散的原理 从单个像素的角度来理解 将一个给定像素的灰度值与显示像素灰度值之间的误差分散到当前像素的右方或下方的像素中去,49,半色调技术（14/15）,Floyd-Steinberg filter,只需一

15、次扫描即可将全部像素点亮,50,半色调技术（15/15）,优点 处理的效果好，不会产生赝象 缺点 处理速度慢,51,表面纹理细节模拟（1/2）,简单光照明模型的缺陷 只能模拟光滑景物表面 只考虑了表面法向的变化 假设表面反射系数为一常数,52,表面纹理细节模拟（2/2）,纹理分类 纹理定义域 二维纹理 三维纹理 纹理的表现形式 颜色纹理 呈现在物体表面上的各种花纹、图案和文字等 几何纹理 基于景物表面微观几何形状的表面纹理 过程纹理 表现各种规则或不规则的动态变化的自然景象,53,颜色纹理（1/8）,颜色纹理 基于二维纹理映射（texture mapping）技术生成 定义方法 连续法 用数学

16、函数解析地表达，函数的定义域就是纹理空间 离散法 用各种数字化图像来离散定义 纹理空间坐标系中表示光亮度值的一个矩形数组 程序生成 扫描输入 通过交互式系统绘制得到,54,颜色纹理（2/8）,棋盘方格纹理 粗布纹理,A为0,1上的随机变量，p,q为频率系数,55,颜色纹理（3/8）,二维纹理映射的基本原理 确定景物表面上任一可见点P在纹理空间中的对应位置(u,v) 用(u,v)处所定义的纹理值或颜色值作为P点的反射系数 或用(u,v)处所定义的纹理值或颜色值对反射系数调制 达到对物体原来的表面亮度或颜色值进行混合的效果 按照光照模型计算出P点的亮度或颜色值,56,纹理映射的构造 从数学的观点来看，映射M可用下式描述 (u, v)= F(x, y, z) (u, v)TextureSpace,颜色纹理（4/8）,57,参数曲面 (x, y, z) = F (u, v) 定义了二维参数空间到三维物体空间的映射关系 当将参数空间和纹理空间等同（两者之