第9章真实感图形处理

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1、第第9章章 真实感图形处理真实感图形处理 图形的真实感处理图形的真实感处理主要指场景隐藏主要指场景隐藏线面的消除、物体表面的明暗效果及线面的消除、物体表面的明暗效果及其表面的色彩、纹理处理。其表面的色彩、纹理处理。 19.1 简单光照模型简单光照模型9.2 多边形明暗处理多边形明暗处理9.3 物体表面细节模拟物体表面细节模拟9.6 整体光照模型整体光照模型9.4 阴影阴影9.5 透明透明29.1 简单光照模型（局部）简单光照模型（局部）光的反射、透射与光的反射、透射与转化化反射、透射、吸收3环境光境光光亮度光亮度是是对光光线复复杂传播播现象的抽象描述象的抽象描述。 在空中的任何位置、任何方向在

2、空中的任何位置、任何方向强度相等度相等。环境光境光光亮度光亮度: Ie=Ka IaIa 入射的入射的环境光亮度境光亮度 ，Ka物体表面对物体表面对环境光境光的的反射系数反射系数(01)。4例例如如5点光源点光源 向周向周围辐射等射等强度的光度的光 6漫反射漫反射光光亮度光光亮度 光源在景物表面的反射光中向空间各方光源在景物表面的反射光中向空间各方向均匀反射出去的光。向均匀反射出去的光。 粗糙、无光粗糙、无光泽物体（如粉笔）表面物体（如粉笔）表面对光光的反射的反射。 7漫反射漫反射光光照明方程照明方程Ip-点光源的点光源的入射光入射光亮度亮度 Kd-物体表面物体表面漫反射系数漫反射系数 (01)

3、 -入射角入射角要计算物体表面的法矢8将将环境光与漫反射境光与漫反射结合起来合起来例子例子9镜面反射面反射光滑物体（如金属或塑料）表面光滑物体（如金属或塑料）表面对光的反射光的反射. 高光高光入射光在光滑物体表面形成的特入射光在光滑物体表面形成的特别亮的区域亮的区域。10理想理想镜面反射面反射11非理想非理想镜面反射面反射12镜面反射面反射光光照明方程照明方程n-镜面反射面反射的会聚的会聚指数指数V R)n13将将环境光、漫反射与境光、漫反射与镜面反射面反射结合起来合起来Phong光照光照模型模型14光的衰减光的衰减光在光源到物体表面光在光源到物体表面过程中的衰减程中的衰减 。衰减函数衰减函数

4、：c0、c1、c2为用户获得场景中不同光照效果而供调整的系数。15Phong光照光照模型模型：16产生彩色生彩色选择合适的合适的颜色模型色模型-RGB模型模型 为颜色模型色模型中中的每一种基色建立光照明方程的每一种基色建立光照明方程：17系数分解系数分解基本色彩、亮度分基本色彩、亮度分别控制控制； 环境光与漫反射光的基本色彩境光与漫反射光的基本色彩统一一。18统一表示一表示为为： =( r, g, b)新的光照明方程新的光照明方程:19采用多个光源的光照明方程采用多个光源的光照明方程20例子例子21一、常数明暗处理模型一、常数明暗处理模型 (均匀着色方法均匀着色方法) 9.2 多边形明暗处理多

5、边形明暗处理 任取多任取多边形上一点，利用光照明方形上一点，利用光照明方程程计算出它的算出它的颜色色； 用用这个个颜色填充整个多色填充整个多边形形。 适合情况适合情况 光源在无光源在无穷远处 视点在无点在无穷远处 多多边形是物体表面的精确表示形是物体表面的精确表示22优点点 每个多每个多边形只需形只需计算一次光照明方程，速度快算一次光照明方程，速度快 缺点缺点 相相邻多多边形形颜色色过渡不光滑渡不光滑 例子例子23 处理多边形集合或多面体时，常数明暗处理模型对每个多边形只计算一个光照强度值，然后用此值作为整个多边形平面的明暗值赋给多边形的每个象素，使多边形的每个点都具有相同的明暗度，这种方法称

6、为常数明常数明暗法或平面明暗法暗法或平面明暗法( (Flat)Flat)。 如果使用多边形来作为曲面的近似时，常数明暗处理就很难得出满意的光滑图形。当把曲面离散成许多小的平面多边形时，若离散度较粗，在光照的表面上使用常数明暗处理后，两个相邻的多边形会显出凸起或凹陷的折痕，在连接处就显得比周围处亮或暗，这就是所谓的马赫带效应。24光滑着色光滑着色-插插值 GourandGourand明暗处理模型明暗处理模型( (颜色插色插值) ) Phong明暗处理模型明暗处理模型(法矢量插法矢量插值)25 Gourand在1971年提出了光强度插值明暗算法。该算法较好地消除了用常数明暗法处理光强度的不连续性，

7、但是在明暗强度函数的斜率急剧变化处仍可看到马赫带效应。即Gourand明暗算法不能完全消除光强度的不连续性。 Gourand明暗算法的基本思想基本思想是在各多边形的公共顶点处，用前面得到的光照较准确地计算各顶点的反射光的明暗度。而对于各多边形内部各点的明暗度，则使用线性插值法计算各点的明暗度。GourandGourand明暗处理模型明暗处理模型( (颜色插色插值)26 Gourand明暗处理算法简单，一般可以得到较满意的光滑表面。它的缺点是除了马赫带效应外，在用周围多边形法线来计算共有顶点的法线时，如果得到相邻顶点的法线平行，采用线性插值法计算出平面上各点的明暗值时会得到各平面上的明暗值相同，

8、图形会出现一块光亮的平坦区域。27Gourand 着色方法着色方法 颜色插色插值着色方法着色方法 步步骤 1、计算多算多边形的形的 单位法矢量位法矢量 2、计算多算多边形形顶点点 的的单位法矢量位法矢量 283、利用光照明方程、利用光照明方程 计算算顶点点颜色色 4、对多多边形形顶点点颜 色色进行双行双线性插性插 值，获得多得多边形形 内部各点的内部各点的颜色色29 Phong明暗算法又称为法线矢量明暗算法。该方法是将多边形顶点处的法线矢量进行线性插值计算以得到多边形内各点的法线，然后用此插值计算各点的光照明暗度，因而Phong明暗算法的计算量要大于Gourand明暗算法的计算工作量。 Pho

9、ng算法较好地模拟了局部范围内的表面弯曲度，得到了很好的曲面效果，尤其在镜面反射的高光区显得很真实。即使不是镜面反射情况，Phong明暗算法的效果也明显地优于Gourand算法。这是因为它在每点进行了光照模型的计算，因而大大地减轻了马赫带效应。但是由于每次插值计算后的法线矢量在代入光照模型前都需要单位化，因而也大大地增加了计算工作量。Phong明暗处理模型明暗处理模型(法矢量插法矢量插值)3031Phong着色方法着色方法 法向插法向插值着色方法着色方法 步步骤 1、计算多算多边形形单位法矢量位法矢量 2、计算多算多边形形顶点点单位法矢量位法矢量 3、对多多边形形顶点法矢量点法矢量进行双行双线

10、性插性插值， 获得内部各点的法矢量得内部各点的法矢量 4、利用光照明方程利用光照明方程计算多算多边形内部各点形内部各点颜色色。32 33着色方法存在的着色方法存在的问题:-不光滑的物体不光滑的物体轮廓廓插插值多多边形形绘制方法制方法34透透视变形形方向依方向依赖性性35公共公共顶点点处颜色不色不连续 顶点方向不具有代表性点方向不具有代表性36表面表面细节多多边形形 根据根据待待生成的生成的纹理构造理构造细节多多边形形 将将细节多多边形形贴到物体表面到物体表面9.3 物体物体表面细节模拟表面细节模拟37 颜色颜色纹理理 纹理理函数函数表示表示 数字数字图像像 数学公式数学公式纹理映射理映射：38

11、当物体表面是多当物体表面是多边形形时 直接直接给定多定多边形形顶点的点的纹理坐理坐标39当物体表面是参数曲面当物体表面是参数曲面时 给定参数与定参数与纹理坐理坐标之之间的关系的关系401、将屏幕像素的四个角点映射到景物坐、将屏幕像素的四个角点映射到景物坐标空空间中可中可见的物体表面上的物体表面上 3、将像素所、将像素所对应的的纹理坐理坐标空空间中的四中的四边形内的所有形内的所有纹素的素的值作加作加权平均，平均，结果作果作为物体物体表面的漫反射系数参与表面的漫反射系数参与颜色色计算算 2、将景物坐、将景物坐标空空间映射到映射到纹理坐理坐标空空间 4142 采用法采用法向向扰动法法 目目标 产生几

12、何生几何纹理，模理，模拟凸凹不平的物体表面凸凹不平的物体表面 应用用 自然界中植物的表皮等自然界中植物的表皮等 方法方法 对物体表面微物体表面微观形状形状进行行扰动几何纹理几何纹理439.4 9.4 阴影阴影什么是阴影什么是阴影 光源不能直接照射的区域光源不能直接照射的区域 对光源来光源来说，不可，不可见的面（的面（隐藏面）藏面） 考考虑阴影的光照明方程阴影的光照明方程44Z缓冲器算法冲器算法产生阴影生阴影1. 将所有景物将所有景物变换到光源坐到光源坐标系中，利用系中，利用Z缓冲冲器算法按光器算法按光线方向方向对景物景物进行消行消隐，把那些距，把那些距光源最近的物体表面上点的深度光源最近的物体

13、表面上点的深度值保存在阴影保存在阴影缓冲器中冲器中2. 利用利用Z缓冲器算法按冲器算法按视线方向方向对景物景物进行消行消隐，将得到的每一个可，将得到的每一个可见点点变换到光源坐到光源坐标系系中，若它在光源坐中，若它在光源坐标系中的深度系中的深度值比阴影比阴影缓冲冲器中相器中相应单元的元的值小，小，则说明明该可可见点位于阴点位于阴影中，否影中，否则不是不是45优点点 算法算法简单 缺点缺点 每个光源需要一个阴影每个光源需要一个阴影缓冲器冲器46阴影阴影细节多多边形形 算法步算法步骤 1.在景物空在景物空间中，利用裁剪中，利用裁剪2. 算法求出被光源直接照射算法求出被光源直接照射3. 的多的多边形

14、或其一部分形或其一部分 2.将将这些多些多边形作形作为表面表面细 节贴在物体表面上在物体表面上47光光线跟踪跟踪 从可从可见点点P向光源向光源 发出出测试光光线，若，若 该光光线在到达光源在到达光源 之前与其它物体相之前与其它物体相 交，交，则P点位于阴影点位于阴影 区域中区域中 48简单透明透明 简单透明不考透明不考虑折射折射现象象 插插值透明透明 过滤透明透明9.5 透明透明 49考考虑折射的透明折射的透明 折射定律折射定律50透射矢量的透射矢量的计算算519.6 整体光照明模型整体光照明模型物体表面入射光的构成物体表面入射光的构成 （1）光源直接照射）光源直接照射 （2）其它物体的反射光

15、）其它物体的反射光 （3）透射光）透射光 局部光照明模型局部光照明模型仅考考虑了了（1） 52整体光照明方程整体光照明方程53光光线跟踪算法的基本原理跟踪算法的基本原理自然界中光自然界中光线的的传播播过程程 光源光源 物体表面物体表面 物体表面物体表面 人眼 光光线跟踪跟踪过程程-光光线传播的逆播的逆过程程5455光光线跟踪算法关跟踪算法关键 光光线与物体表面的求交与物体表面的求交REDt （t=0）E（e1，e2，e3）为射线的起点；D（d1，d2，d3）为射线的方向，R（x，y，z）为射线上的点。找到和射线最近的交点的表面，获得表面的法线、颜色、反射率、透明性等;连接可见点和光源；沿反射线

16、方向和折射线方向继续跟踪。56575859void glMaterialifv(GLenum face,GLenum pname,TYPE param);参数名参数名缺省值缺省值说明说明GL_AMBIENT(0.2, 0.2, 0.2, 1.0)材料的环境光颜色GL_DIFFUSE(0.8, 0.8, 0.8, 1.0)材料的漫反射光颜色GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE材料的环境光和漫反射光颜色GL_SPECULAR(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)材料的镜面反射光颜色GL_SHINESS0.0镜面指数（光亮度）GL_EMISSION(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)材

17、料的辐射光颜色60void glLightifv(GLenum light , GLenum pname, TYPE param)表表10-1 函数函数glLight*()参数参数pname说明说明 pname 参数名参数名缺省值缺省值说明说明GL_AMBIENT(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)RGBA模式下环境光GL_DIFFUSE(1.0, 1.0, 1.0, 1.0)RGBA模式下漫反射光GL_SPECULAR(1.0,1.0,1.0,1.0)RGBA模式下镜面光GL_POSITION(0.0,0.0,1.0,0.0)光源位置齐次坐标（x,y,z,w）GL_SPOT_DIRECT

18、ION(0.0,0.0,-1.0)点光源聚光方向矢量（x,y,z）GL_SPOT_EXPONENT0.0点光源聚光指数GL_SPOT_CUTOFF180.0点光源聚光截止角GL_CONSTANT_ATTENUATION1.0常数衰减因子GL_LINER_ATTENUATION0.0线性衰减因子GL_QUADRATIC_ATTENUATION0.0平方衰减因子61 GLfloat light_ambient = 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 ;GLfloat light_diffuse = 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 ;GLfloat light_specular = 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 ;glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT , light_ambient );glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE , light_diffuse );glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, light_specular);glEnable(GL_LIGHTING);glEnable(GL_LIGHT0);621）定义纹理、2）控制滤波、3）说明映射方式、4）绘制场景，给出顶点的纹理坐标和几何坐标。注意注意：纹理映射只能在RGBA方式下执行，不能运用于颜色表方式。63