第8章真实感显示

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二节 真实感图形绘制,简单光照明模型,多边形明暗处理方法,透明,整体光照明模型,已学过的显示图形的方法,未消隐图形：,显示线框图,显示填充图,消隐图形：,可见多边形内部填充指定的颜色,特点：,颜色是人为加上的，颜色无过渡,亮度无过渡,不符合真实物理世界,真实感图形的特点,真实感图形是光栅图形,反映物体表面颜色和亮度的细微变化,质感：金属、陶瓷、玻璃等,阴影：反映深度感和层次感,透明：透明体后的物体显示,镜像：光滑物体上的反光成像,纹理：物体表面的图案、凹凸不平的形状,影响真实感图形显示的因素,物体的几何形状和数学表示,多面体：平面表示的物体,曲面：二次解析形式；自由曲面,自然景物：云、水、火等,物理模型：符合物理规律的变形物体,物体表面特性,粗糙度：光滑表面或粗糙表面,感光度：金属、纸张等,表面颜色：红、绿等,纹理：表面花纹,透光性：玻璃、毛玻璃等,影响真实感图形显示的因素,光源,波长：颜色（可见光）,所有波长光含量相等，白色,/,灰度光；,各波长分量不同，彩色光,光强：光的亮度,类型：点、线、面、体光源等,物体与光源的相对位置,周围环境：光反射、折射等,真实感图形显示,建立光照模型：基于光学物理模型，计算每个象素点的实际颜色和亮度，并分解颜色的各分量值（,RGB,）,绘制场景几何光照模型,常用算法扫描线算法，光线跟踪算法,光的反射,光照射到物体表面：,反射,透射（对透明物体）,部分被吸收成热能,入射光反射光透射光散射光吸收光,转变成热能,透明物体透过的光,反射光决定了物体所呈现的颜色,入射光,镜面反射光,漫反射,散射光,透射光,内部反射,吸收,环境光计算,假定物体是不透明的（即无透射光）,环境光,：,光在物体和周围环境之间多次反射的结果。在空间中近似均匀分布，即在任何位置、任何方向上强度一样,记为,I,a,光照明方程（仅含环境光）,：,I,e =,K,a,I,a,I,e,为物体表面所呈现的亮度,环境光反射系数,K,a,：,在分布均匀的环境光照射下，不同物体表面所呈现的亮度未必相同，因为它们的环境光反射系数不同。,实际的环境光要复杂！,漫反射光计算,点光源的照射：,照在物体的不同部分其亮度也不同,.,漫反射,(diffuse reflection):,粗糙、无光泽的表面对光的反射，漫反射光的强度只与入射角有关，与视点无关,朗伯余弦定律：,Id = IpKd cos,漫反射特点：光源来自一个方向，反射光均匀地射向各个方向,漫反射和环境光,I,d =,I,p,K,d cos,Ip:,入射光强,Kd,：,漫反射系数（,0,1,），取决于物体的材料属性和入射光的波长,:,入射光与物体表面法矢的夹角，,大于等于,0,，小于等于,90,光照明方程,（含环境光与漫反射光）,I = Ie + Id = IaKa + IpKd cos,若,L,、,N,为规格化，则,I = Ie + Id = IaKa + IpKd,（,L,N,）,物体的颜色！,光源,N,L,P,漫反射为各光源的和：,I,d=Kd,I,p,i,(Li,N),多个点光源,如果用,RGB,三个分量表示入射光的光强,Ip=(Ipr,Ipg,Ipb),漫反射和环境光的计算：,I,dr =,I,pr,K,dr,（,L,N,）,I,dg =,I,pg,K,dg,（,L,N,）,I,db =,I,pb,K,db,（,L,N,）,当入射光为白光，,Ipr,Ipg,Ipb,，物体的颜色由漫反射系数确定。调节物体的颜色，可以通过设定不同的,Kdr,、,Kdg,、,Kdb,。,光的分解,镜面反射,在理想光滑表面，当反射角等于入射角光线才反射。,特点：光源来自一个方向，反射光集中在反射方向。,模拟光滑表面，在入射角，镜面反射光比漫反射和环境光的光强高出许多倍。可看到高光点,高光点只反映光源的颜色，在白光照射下，高光点是白色,镜面反射,理想反射面：仅在反射方向光线才反射,非理想反射面：在一个很小范围能够看到高光,光源,N,L,P,反射方向,R,光源,N,L,P,反射方向,R,视点,V,镜面反射模型,Phong,模型,:,Is=Ip,Ks,cos,n,当,R,、,V,规范化，则：,Is=Ip,Ks,(R,V),n,Is:,观察方向上的光强,Ip:,入射光光强,Ks:,镜面反射光系数,：,RV,的夹角,n:,与物体表面光滑度有关的常数，（,1,2000,），,n,越大,，,表面越光滑,简单光照明模型,简单光照模型：环境光漫反射镜面反射,I=Ie+Id+Is =,I=Ia,Ka+Ip,Kd,(L,N)+Ip,Ks,(R,V),n,色彩的三分量：,Ir=Iar,Kar+Ipr,Kdr (L,N)+Ks (R,V),n,Ig=Iag,Kag+Ipg,Kdg (L,N)+Ks (R,V),n,Ir=Iab,Kab+Ipb,Kdb (L,N)+Ks (R,V),n,或：,I(r,g,b)=Ia(r,g,b) Ka(r,g,b),+Ip(r,g b),Kd(r,g,b) (L,N)+Ks (R,V),n,入射光,镜面反射,漫反射,镜面反射,各种反射,漫反射与镜面反射的效果,漫反射强度,镜面反射强度,不同光源比和不同镜面参数的效果,Z-Buffer,消隐采用光照模型,在消隐算法中填充前面多边形颜色时，用下式计算真实颜色即可：,I(r,g,b)=Ia(r,g,b) Ka(r,g,b),+Ip(r,g b),Kd(r,g,b) (L,N)+Ks (R,V),n,消隐：离视点近的像素填充指定颜色,消隐：离视点近的像素填充计算光照后的颜色,显示效果存在的问题,一个多边形每点的（,L,N),相等，计算的,I,也相等，,多边形内颜色亮度不变,两个不同的多边形，法矢相同，,表面颜色和亮度无法区别,两个不同的多边形，法矢不相同，在表面邻接处颜色和亮度突变，,产生“马赫带效应”,。,效果填充图,马赫带效应肉眼感觉到的亮度变化比,实际的亮度变化要大,多边形绘制方法（明暗处理）,解决方法：,均匀着色：,每个多边形同样的颜色，用多边形逼近获得效果,光滑着色，亦称插值着色,Gouraud,着色方法,Phong,着色方法,均匀着色,均匀着色,:,在多边形内的一点，利用光照模型计算颜色和光强，内部所有点均填充这个颜色。,当一个物体用很多多边形近似时，多边形足够小，效果不错,10,等分,40,等分,40,等分,多边形绘制方法（明暗处理）,Gouraud,着色方法：计算,I,，插值,I,光照模型：,I=Ia,Ka+Ip,Kd,(L,N)+Ip,Ks,(R,V),n,Phong,着色方法：计算,N,，插值,N,，计算,I,光照模型：,I=Ia,Ka+Ip,Kd,(L,N)+Ip,Ks,(R,V),n,Gouraud,着色方法,通过对多边形顶点颜色进行线性插值来获得其内部各点颜色，又称,颜色插值着色,方法。,对多边形网络中的每一个多边形，其着色步骤如下：,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,）利用光照明方程计算顶点的颜色；,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,，获得多边形内部（位于多边形内的扫描线上）各点的颜色。,I,2,I,4,I,1,I,3,I,a,I,b,顶点的法矢怎么算？,计算多边形和多边形顶点的单位法矢,计算面的法矢,A,点的法向量取相邻面的平均：,N,a,=(N,1,+N,2,+N,3,+N,4,)/4,N,1,N,2,N,3,N,4,N,a,I,1,I,2,I,3,I,4,I,a,I,b,I,s,y,s,计算多边形顶点的光强并插值,计算,I,1,的光强（利用该点的法矢和简单光照模型）,计算,I,2,的光强（利用该点的法矢和简单光照模型）,插值当前扫描线,I,a,和,I,b,的光强：,I,a,=I,1,(y,s,-y,2,)+I,2,(y,1,-y,s,)/(y,1,-y,2,),I,b,=I,1,(y,s,-y,4,)+I,4,(y,1,-y,s,)/(y,1,-y,4,),插值当前扫描线,I,s,的光强：,I,s,=I,a,(x,b,-x,s,)+I,b,(x,s,-x,a,)/(x,b,-x,a,),线性插值边界光强,线性插值内部光强,均匀着色,与,Gouraud,明暗处理对比,(,均为,10,等分,),Phong,着色方法,通过对多边形顶点的,法矢量,进行线性插值来获得其内部各点的,法矢量,，又称,法向插值着色,方法。,步骤如下：,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，对多边形顶点的法矢量进行,双线性插值,，获得多边形内部（位于多边形内的扫描线上）各点的法矢量；,4,）利用光照明方程计算各点的颜色,I,。,多边形绘制方法,1,）计算多边形的单位法矢量；（方法同前）,2,）计算多边形顶点的单位法矢量； （方法同前）,3,）插值法矢,4,）计算各点光强（光照模型）,N,1,N,2,N,3,N,4,N,a,N,b,N,s,N,a,=N,1,(y,s,-y,2,)+N,2,(y,1,-y,s,)/(y,1,-y,2,),N,b,=N,1,(y,s,-y,4,)+N,4,(y,1,-y,s,)/(y,1,-y,4,),N,s,=N,a,(x,b,-x,s,)+N,b,(x,s,-x,a,)/(x,b,-x,a,),y,s,Gouraud,的优缺点,Gouraud,着色方法解决了两个多边形亮度不连续过渡问题，内部亮度单一问题,计算速度较快,真实感较强,顶点法向结果相同，看不到棱边,马赫带效应仍存在,只考虑了漫反射,镜面反射效果不理想，高光域在顶点形成，而不是多边形内部,顶点法向,面法向,Phong,方法的优缺点,Phong,着色方法绘制的图形比,Gouraud,方法更真实,镜面反射的因素考虑在内，多边形内有高光,Phong,着色方法计算量远大于,Gouraud,着色方法,Gouraud,phong,improved,Photo-realistic,Light-trace,radiosity,Hybrid-radiosity,各种真实感的方法,透明的处理,简单透明与带有折射的透明,产生简单透明效果的方法,插值透明方法,过滤透明方法,反射和折射的几何光学原理,反射和折射：透明或半透明物体在光线与物体表面相交时发生,。,透射：折射后的光线穿过物体的另一表面射出，形成透射光,1,1,1,2,1,N,I,R,2,1,T,反射光,透射光,入射光,1,1,2,I,2,T,透明的处理,折射定律：,sin,1,/sin ,2,= ,2,/,1,= ,1,法向所指空间介质折射率,2,物体的折射率,折射、入射方向与,N,共面,T,为折射方向的单位矢量,T=I/,-(cos ,2,-cos ,1,/ )N,N,1,1,2,I,T,理想透明介质：只在折射方向看到透过的光线,半透明介质：观察者在透射方向的附近接受一部分透射光，强度随增大急剧减小,V,入射光,透射光,透明介质,视点,光源,光透射模型,I,t,=K,t,I,p,(cos),n,=K,t,I,p,(V,T),n,I,t,透射光光强,K,t,透射系数,I,p,光源光强,n,为常数,单位矢量,T,的计算：,T=I/-(cos ,2,-cos ,1,/)N, = ,2,/ ,1,1,1,2,I,T,V,简单光照模型（考虑透射情况）,I=Ia,Ka+IpKd (L,N)+Ks(R,V),ns,+Kt(T,V),nt,注意：对于一个给定的光源，镜面反射与透射,只能一项起作用。视点与光源在物体的同一侧,时取镜面反射项，异侧取透射项。,简单光照明模型：假定物体是不透明的，,只考虑光源的直接照射，而将光在物体之间的传播效果笼统地模拟为环境光，不能模拟物体之间的光照效果,整体光照明模型考虑了物体之间的相互影响以产生整体照明效果,简单光照模型和整体光照模型,整体光照明模型,照射到物体上的光线：,直接来自光源部分,物体间的反射和折射部分,视点,A,B,光源,简单光照模型模拟,整体光照模型模拟,简单光照模型模拟,主要是物体间的镜面反射,？环境光,整体光照明模型,I,global,=K,R,I,R,+,K,T,I,T,I,global,整体光照对,P,点的贡献,I,R,来自其它物体从,R,方向反射和折射的光强,K,R,反射系数,I,T,来自其它物体从,T,方向反射和折射的光强,K,T,折射系数,物体表面光强,:,I=I,local,+ I,global,1,1,R,V,N,I,R,I,global,2,I,T,T,P,物体表面,如何计算整体光照模型？,如何计算整体光照模型？,算法基本思想：,从视点逆着光线的方向向视平面上的象素作射线,V,V,与物体,O1,交于,A,点，计算光源照射下的光强和颜色,在交点,A,处，求别的物体,(O2),反射来的镜面反射光和透射光,视点,视平面,p,v,A,B,C,D,光源,O1,O2,视点,投影平面,p,v,A,B,C,D,A,点光强：,I,A,=I,localA,+K,RA,I,RA,+K,TA,I,TA,I,localA,计算光源照射下的光强和颜色,I,RA,来自,I,B,，跟踪,I,B,I,B,=I,localB,+K,RB,I,RB,+K,TB,I,TB,I,TA,来自,I,C,，跟踪,I,C,I,C,=I,localC,+K,RC,I,RC,+K,TC,I,TC,光源,为,I,p,非透明体,为,0,非透明体,内反射，可继续跟踪,来自背景,D,方向的光，背景色,E,视点,视平面,p,v,A,B,C,D,A,点光强：,I,A,=I,localA,+K,RA,I,RA,+K,TA,I,TA,I,A,=I,localA,+K,RA,I,B,+K,TA,I,C,跟踪结束条件：,与光源相交,与背景相交,贡献趋于,0,（给定阀值或跟踪深度）,光源,光线跟踪算法,Color TraceRay(start,direction, depth),Vector start, direction;,int depth;,if,（,depthMAX_DEPTH,）,color =,黑色,;,else,光线与物体相交，找出离,start,最近的点；,if (,无交点,) color =,背景色；,else,local_color =,用局部光照模型计算出的交点处的 光强；,计算反射方向,整体光照模型算法,Reflected_color = TraceRay(,交点，反射方向，,depth+1);,计算折射方向；,Transmitted_color = TracyRay (,交点，反射方向，,depth+1);,color = combine (local_color,Reflection _color,K,r, Transmitted_color, K,T,);,return(color);,各种光照模型比较,阴影,阴影：空间中不能照射到的区域，位于阴影中的物体表面必被那些位于光源之间的物体所遮挡，光源对阴影点的亮度无贡献。,阴影面的判断：如果把光源当作视点，不可见面就是阴影面。,阴影域的点,光源,Z,缓冲器阴影算法,两次使用,Z,缓冲器消隐算法：,将所有景物变换到光源坐标系（以光源为原点）,按光源方向对景物进行消隐，把那些距光源最近的物体表面上的点的深度值保存在阴影缓冲器中。,按视线方向对景物消隐,将每一个计算的可见点变换到光源坐标系,若它在光源坐标系中的深度值比阴影缓冲器中相应单元值小，则说明可见点位于阴影中，则只有环境光，否则该点不在阴影中，用光照模型计算。,可见阴影点,光源,视点,阴影与光线跟踪,在光线与物体的每一个交点处，用局部光照模型计算,I,local,，此时的计算是无阴影影响的。在交点与光源之间再加入一条射线，判断：,如果这条射线不与任何物体相交，则,p,点受光源直接照射，,p,不在阴影区域内。,如果这条射线与某个不透明物体相交，则,p,点处在这个物体的阴影中，,p,点处的,I,local,只剩环境光了,。,跟踪的光线,光源,p,跟踪的光线,光源,p,阴影与光线跟踪,如果这条射线与某个透明或半透明物体相交，则根据物体的透明度，使到达,p,点的光强变弱，计算,I,local,。,跟踪的光线,光源,p,辐射度方法：,Radiosity,模拟物体间的漫反射,属于物空间的算法,计算在景物表面上各点的亮度，计算结果与视点无关,屏幕上各象素点的亮度计算是根据视点位置和算出的表面亮度进行亮度插值,辐射度方法,各种图形显示效果,单色线框图,彩色线框图,线框消隐图,环境光下物体显示,各种图形显示效果,漫反射,漫反射及,Gouraud,明暗处理,镜面反射与,Gouraud,明暗处理,镜面反射与,Phone,明暗处理,各种图形显示效果,多光源光照,带纹理效果,带阴影效果,