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1、光照模型整体光照模型,计算机图形学真实感图形,徐健导师：合肥工业大学数学学院2016年12月23日,一、整体光照模型的介绍,二、Ray tracing算法原理,三、光线与物体的求交,四、Ray tracing算法OpenGL程序,光照模型整体光照模型,1. OpenGL光照模型:,在光照中首先是光源,要有光源才能产生光线,才有以后一系列反射,折射，散射等效果。 OpenGL光照模型把光照分为4个独立的部分：环境光，散射光，镜面反射光和发射光。这四种光被分别计算，然后被叠加起来。,一、整体光照模型的介绍,OpenGL在处理光照时把光照系统分为三部分，分别是光源、材质和光照模型。 光源、材质和光照
2、模式都有各自的属性，尽管属性种类繁多，但这些属性都只用很少的几个函数来设置，比如：使用glLight*函数可设置光源的属性，使用glMaterial*函数可设置材质的属性，使用glLightModel*函数可设置光照模式。(详见PPT：OpenGL光照和材质),局部光照模型只能处理直接光照，为了对环境中物体之间的各种反射、折射光进行精确模拟，需要使用整体光照模型。相对于局部光照模型，整体光照模型可表示为 Iglobal=KR*IR+ KT*IT其中Iglobal为非直接光照对物体上一点光强的贡献；IR为其他物体从视线的反射方向反射或折射来的光强，KR为反射系数；KT为其他物体从视线的折射方向折
3、射或反射来的光强，IT为折射系数。将Iglobal与局部光照模型的计算结果相叠加，就可以得到物体上点的光强。光线跟踪算法是典型的整体光照模型，是生成真实感图形的主要算法之一，该算法原理简单，实现方便，并且能生成各种逼真的视觉效果。Witted光照模型见文件夹，网上搜的相关材料以截图的形式保存参考。,2. 整体光照模型:,一、整体光照模型的介绍,整体光照和局部光照模型:,一、整体光照模型的介绍,从视点观察到的物体A表面的亮度来源于三方面的贡献：1.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。2.光源或其它物体的光经A物体折射到人眼中的光产生的。3.物体B的表面将光反射到物体A的表面，再
4、经物体A的表面反射到人眼中产生的。局部光照模型仅考虑了第一个,一、整体光照模型的介绍,二、Ray tracing算法原理,三、光线与物体的求交,四、Ray tracing算法OpenGL程序,光照模型整体光照模型,二、Ray tracing算法原理,四种光线：视线、阴影测试线、反射光线、折射光线（借助该图说明过程）,1. 基本过程:,Ray tracing算法的光强计算： 光线E与物体表面交与点P时，光在点P对光线V方向的贡献分为三部分:由光源产生的直接的光线照射光强，是交点处的局部光强；反射方向上由其他物体引起的间接光照光强，通过对反射光线的递归跟踪得到；折射方向上由其他物体引起的间接光照光
5、强，通过对折射光线的递归跟踪得到；把上述三部分光强相加，就是该条光线E在P点处的总的光强。Ray tracing算法的基本思想如下：对于屏幕上的每个象素，跟踪一条从视点出发经过该象素的光线，求出与环境中物体的交点。在交点处光线分为两支，分别沿镜面反射方向和透明体的折射方向进行跟踪，形成一个递归的跟踪过程。光线每经过一次反射或折射，由物体材质决定的反射、折射系数都会使其强度衰减，当该光线对原象素光亮度的贡献小于给定的阈值时，跟踪过程即停止。,二、Ray tracing算法原理,2. 光强计算和算法思想:,实际的算法进行过程中，不可能进行无穷的光线跟踪：算法应用意义上的终止条件有：1、该光线未碰到
6、任何物体2、该光线碰到了背景3、光线在经过许多次反射和折射以后，就会产生衰减，光线对于视点的光强贡献很小4、光线反射或折射次数即跟踪深度大于一定值,二、Ray tracing算法原理,3. 终止条件:,一、整体光照模型的介绍,二、Ray tracing算法原理,三、光线与物体的求交,四、Ray tracing算法OpenGL程序,光照模型整体光照模型,三、光线与物体的求交,几何解法示意图1:,由于光线跟踪算法用到大量求交运算，因而光线与物体求交是光线跟踪算法的核心。这里以球为例：代数解法和几何解法。,三、光线与物体的求交,几何解法示意图2:,一、整体光照模型的介绍,二、Ray tracing算
7、法原理,三、光线与物体的求交,四、Ray tracing算法OpenGL程序,光照模型整体光照模型,1. 光线跟踪算法伪代码,RayTracing(start（光线起点）, direction（光线方向）, weight（衰减权值）, color)if ( weight MaxWeight )color = black;else 计算光线与所有物体的交点中离start最近的点；if ( 没有交点 )color = black;elseI local = 在交点处用局部光照模型计算出的光强；计算反射方向 R；RayTracing(最近的交点,R, weight*W s ,I s );计算折射方向 T；RayTracing(最近的交点,T,weight*W t ,I t );color = I local + K s *I s + K t *I t ;备注：该程序没有实现成功，出现的只是一个白色的正方形。,四、Ray tracing算法OpenGL程序,Thank you!,
