计算机图形学_真实感图形绘制

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,*,真实感图形绘制,简单光照明模型,多边形绘制方法,透明,整体光照明模型,光线跟踪算法,光照模型(,Illumination Model):,计算某一点的光强度的模型,真实感图形的,特点,能反映物体表面颜色和亮度的细微变化,能表现物体表面的质感,能通过光照下的物体阴影，极大地改善场景的深度感和层次感，充分体现物体间的相互遮挡关系,能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜面效果,影响观察者看到的表面颜色的因素,物体的几何形状,光源,位置、距离、颜色、数量、强度、种类,环境,遮挡关系、光的反射与折射,、,阴影,视点位置,物性,材料、颜色、透明度 折射性,表面光洁度,光源,几何性质,点光源,线光源,面光源,光谱组成,白色光,彩色光,单色光,相关物理知识,光的传播,反射定律：入射角等于反射角，而且反射光线、入射光线与法向量在同一平面上,折射定律,折射定律：折射线在入射线与法线构成的平面上，折射角与入射角满足,能量关系,在光的反射和折射现象中的能量分布：,下标为,i,d,s,t,v,的能量项分别表示,为入射光强，漫反射光强，镜面反射光强，透射光强，吸收光强,能量是守恒的,简单光照明模型,模拟物体表面的光照明物理现象的数学模型光照明模型,简单光照明模型,亦称局部光照明模型，其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。,可以处理物体之间光照的相互作用的模型称为整体光照明模型,简单光照明模型,光照射到物体表面，主要发生：,反射,透射（对透明物体）,部分被吸收成热能,反射光，透射光决定了物体所呈现的颜色,简单光照明模型-,环境光,假定物体是不透明的（即无透射光）,环境光：,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,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。,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。,简单光照明模型-,环境光例子,具有不同环境光反射系数的两个球,简单光照明模型-,环境光,缺点：虽然不同的物体具有不同的亮度，但是同一物体的表面的亮度是一个恒定的值，没有明暗的自然过度。,简单光照明模型,考虑引入点光源。,点光源：几何形状为一个点，位于空间中的某个位置，向周围所有的方向上辐射等强度的光。记其亮度为,I,p,点光源的照射：,在物体的不同部分其亮度也不同，亮度的大小依赖于物体的朝向及它与点光源之间的距离.,简单光照明模型：,-漫反射,漫反射,粗糙、无光泽物体（如粉笔）表面对光的反射,光照明方程,漫反射的亮度,点光源的亮度,漫反射系数,入射角,漫反射光的强度,只与入射角有关,简单光照明模型,-漫反射,将环境光与漫反射结合起来,例子,简单光照明模型,-漫反射,缺点：对于许多物体，使用上式计算其反射光是可行的，但对于大多数的物体，如擦亮的金属、光滑的塑料等是不适用的，原因是这些物体还会产生镜面发射。,简单光照明模型,-镜面反射,镜面反射,光滑物体（如金属或塑料）表面对光的反射,高光,入射光在光滑物体表面形成的特别亮的区域,简单光照明模型,-镜面反射,理想镜面反射,观察者只能在反射方向上才能看到反射光，偏离了该方向则看不到任何光。,简单光照明模型,-镜面反射,非理想镜面反射,P,为物体表面上一点，,L,为从,P,指向光源的单位矢量，,N,为单位法矢量，,R,为反射单位矢量，,V,为从,P,指向视点的单位矢量,光滑平面,I,=,I,p,K,s,cos,n,a,镜面,简单光照明模型,-镜面反射,镜面反射,Is,为,镜面反射光强。,点光源的亮度,K,s,是与物体有关的镜面反射系数。,n,为,镜面反射指数，,n,越大，则,Is,随,a,的增大衰减的越快。,n,的取值与表面粗糙程度有关。,n,越大，表面越平滑（散射现象少，稍一偏离，明暗亮度急剧下降）,n,越小，表面越毛糙（散射现象严重）,简单光照明模型-,Phong,光照明模型,简单光照明模型模拟物体表面对光的反射作用,光源为点光源,反射作用分为,物体间作用用环境光(,Ambient Light),漫反射(,Diffuse Reflection),镜面反射(,Specular,Reflection),简单光照明模型-,Phong,光照明模型,Phong,光照明模型的综合表述：由物体表面上一点,P,反射到视点的光强,I,为环境光的反射光强,I,e,、,理想漫反射光强,I,d,、,和镜面反射光,I,s,的总和。,简单光照明模型,-光的衰减,光的衰减,两个阶段：,1）从光源到物体表面的过程中的衰减,2）从物体表面到人眼过程中的衰减,总的效果：物体表面的亮度降低,光照明方程,1）有效衰减函数的加入,2）深度暗示技术的加入,简单光照明模型,-光的衰减,光的衰减,光在光源到物体表面过程中的衰减,光强按 1/,d,2,进行衰减：,缺点：当,d,很大时，变化很小；当,d,很小时，变化很大。,衰减函数,光照明方程,简单光照明模型,-彩色场景的产生,产生彩色,选择合适的颜色模型-,RGB,模型,为颜色模型中的每一种基色建立光照明方程,简单光照明模型,-多个光源,例子：其中,a,图：线框图,b,图：环境光,c,图：增加漫反射,d,图：增加镜面反射,e,图：增加光的衰减,f,图：两个点光源,Phong,光照明模型,的,不足,Phong,光照明模型是真实感图形学中提出的第一个有影响的光照明模型,经验模型，,Phong,模型存在不足：,显示出的物体象塑料，无质感变化,没有考虑物体间相互反射光,镜面反射颜色与材质无关,镜面反射大入射角失真现象,多边形绘制方法,分类：,均匀着色与光滑着色,均匀着色,方法：任取多边形上一点，利用光照明方程计算出它的颜色，用这个颜色填充整个多边形,适用场合：1）光源在无穷远处；,2）视点在无穷远处；,3）多边形是物体表面的精确表示；,多边形绘制方法,缺点：产生的图形效果不好。,相邻两个多边形的法向不同，计算出来的颜色也不同，因此造成整个物体表面的颜色过渡不光滑。,如何解决？,光滑着色，亦称插值着色,Gouraud,着色方法,Phong,着色方法,Gouraud,着色方法,Gouraud,于1971年提出，又被称,Gouraud,明暗处理,基本思想：在每个多边形顶点处计算颜色，然后在各个多边形内部进行线性插值，得到多边形内部各点颜色。即它是一种,颜色插值着色方法。,注意：,Gouraud,着色方法并不是孤立的处理单个多边形，而是将构成一个物体表面的所有多边形（多边形网格）作为一个整体来处理。,Gourand,着色方法,对,多边形网格中的每一个多边形，,Gourand,着色处理分为如下四个步骤：,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,与某个顶点相邻的所有多边形的法向平均值近似作为该顶点的近似法向量,计算出的平均法向一般与该多边形物体近似曲面的切平面比较接近,Gouraud,着色方法-,顶点法向计算,Gourand,着色方法,3、利用光照明方程计算顶点光强（颜色）,4、对多边形顶点光强（颜色）进行双线性插值，获得多边形内部各点的光强（颜色）,Gourand,着色方法,-,光强插值,双线性光强插值：假设待绘制的三角形投影为,P,1,P,2,P,3,P,i,的坐标为(,x,i,y,i,),i=1,2,3；,一条扫描线与三角形的两条边分别交于,A(,x,A,y,A,),B(,x,B,y,B,),两点。,P(x,y),是,AB,上的一点。,A,点的颜色,I,A,由,P,1,、P,2,点的,颜色,I,1,、I,2,线性插值得到,Gourand,着色方法,优点：,能有效的显示漫反射曲面，计算量小,缺点：,1、,高光有时会异常(未考虑镜面反射）,2、,当对曲面采用不同的多边形进行分割时会产生不同的效果。,3、,Gouraud,明暗处理会造成表面上出现过亮或过暗的条纹，称为马赫带（,Mach_band）,效应,改进,Phong,提出双线性法向插值，以时间为代价，解决高光问题,Phong,着色方法,基本思想：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，又称为法向插值着色方法。,步骤,1、计算多边形单位法矢量,2、计算多边形顶点单位法矢量,3、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,4、利用光照明方程计算多边形内部各点颜色,Phong,着色方法,-法向插值,N,A,由,N,1,、N,2,线性插值得到：,Phong,着色方法,优点：,Phong,着色方法绘制的图形比,Gouraud,方法更真实，能产生正确的高光区域,缺点：,1、,Phong,着色方法计算量远大于,Gouraud,着色方法,2、在处理某些多边形分割的曲面时，,Phong,算法还不如,Gouraud,算法好。,Gouraud,v.s.,Phong,透明,现实世界中有许多透明物体，如玻璃等。透过透明物体，可以观察到其后面的景物。如何模拟这种透明效果呢？,简单透明-插值透明,假设：多边形1是透明的，它位于观察者与不透明的多边形2之间。像素的颜色,I,l,由,A、B,两点的颜色,I,l,1,和,I,l,2,插值产生，即,其中,K,t,1,是多边形1的透射系数,。,K,t,1,范围（0，1）,K,t,1,=0,表示多边形完全不透明，所以,I,l,=,I,l,1,K,t,1,=1,表示多边形完全透明，所以,I,l,=,I,l,2,整体光照明模型,简单光照模型（亦称局部光照模型）不考虑周围环境对当前景物表面的光照明影响，,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，必须考虑环境的漫射、镜面反射和规则投射对景物表面产生的整体照明效果。,整体光照明模型,物体表面入射光的构成,（1）光源直接照射,（2）其它物体的反射光,（3）透射光,局部光照明模型仅考虑了（1）,整体光照明模型,例如：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，再经物体,A,的表面反射到人眼中产生的。,局部光照明模型仅考虑了（1）,光线跟踪算法的基本原理,自然界中光线的传播过程,光源物体表面物体表面,人眼,光线跟踪过程-光线传播的逆过程,光线跟踪算法,优点：,能够方便的产生阴影，模拟镜面反射与折射现象,。,缺点：,计算量大，每一条光线都要与场景中的物体进行求交、计算光照模型等。,