第讲光照明模型PPT课件.ppt

光照明模型 模拟物体表面的光照明物理现象的数学模型对自然界复杂光照的抽象和近似描述 第12讲光照明模型 1简单光 第12讲光照明模型 一简单光照明模型 简单光照明模型只考虑光源对物体的直接光照的反射作用 通常物体表面的反射光可以认为包含三个分量 对环境光的反射 对特定光源的漫反射和镜面反射 简单光照明模型 基础知识Phong光照明模型增量式光照明模型阴影的生成 模拟物体表面对光的反射作用光源为点光源物体间作用用环境光表示 反射作用分为漫反射镜面反射 Phong光照明模型 光源的种类 点光源 如果光源大小比场景中的物体小得多 可以假定光线是从一个点向四周均匀发散的 它是发光体最简单的模型 线光源 以看作是多个点光源在一维空间上的合成 例如模拟荧光灯管这类长条形的光源 面光源 即可以看作线光源在高一维空间的合成 也可看作点光源在二维空间的合成 它可以用来模拟发光的块状物体 例如烧红的铁块 环境光 环境光 ambientlight 是邻近各物体所产生的光的多次反射最终达到平衡时的一种光 环境光是指光源间接对物体的影响 例如 透过厚厚云层的阳光就可以称为环境光 室内环境光即为墙壁 天花板 地板及室内各物体之间光的多次反射结果 可近似地认为其光强分布是均匀的 抽象为单一的强度值 它在任何一个方向上的分布都相同 统一地影响场景中所有物体的所有表面 物体上某点的光强可以表示Ie Ia KaIa为环境光的光强Ka为物体对环境光的反射系数 环境光 环境光 一个可见物体在只有环境光的照射下其各点的明暗程度均一样 并让没有受到光源直接照射的地方也有明亮度 区分不出哪处明亮 哪处暗淡 因此 只有环境光是不能产生真实感图形的 漫反射 环境光是对光照现像的最简单抽象 因而局限性很大 它仅能描述光线在空间中无方向并均匀散布时的状态 很多情况下 入射光是带有方向的 比如典型的阳光 如果光照射到比较粗糙的物体表面 如粉笔 由于这些表面从各个方向等强度地反射光 因而从各个视角出发 物体表面呈现相同的亮度 所看到的物体表面某点的明暗程度不随观测者的位置变化的 这种等同地向各个方向散射的现象称为光的漫反射 漫反射 简单光照模型模拟物体表面对光的反射作用 光源被假定为点光源 其几何形状为一个点 向周围所有方向上辐射等强度的光 在物体表面产生反射作用 漫反射 漫反射光的强度近似地服从于Lambert定律 即漫反射光的光强仅与入射光的方向和反射点处表面法向夹角的余弦成正比 漫反射光强为 漫反射 Ip为入射光强物体表面上点P的法向为N从点P指向光源的向量为LKd与物体有光的漫反射系数 漫反射 当L N为单位向量时 漫反射 漫反射的颜色可由入射光的颜色和物体表面的颜色共同设定 例如 在RGB颜色模型下 物体的漫反射系数Kd的三元组 KdrKdgKdb 分别代表RGB三原色的漫反射系数 它们设定物体颜色 同样 照射光I的三元组为 IdrIdgIdb 通过这些分量的调整得到不同的彩色光照效果 镜面反射 如果光照射到相当光滑的表面 就产生镜面反射镜面反射的特点是在光滑表面会产生一块称之为高光的特亮区域镜面反射遵循光的反射定律 镜面反射光强可表示为 Ks是与物体有关的镜面反射系数 与物体的颜色无关 为视线V与反射方向R的夹角n为反射指数 反映物体表面的光泽程度 数目越大物体表面越光滑 镜面反射 镜面反射 将V和R都规范为单位向量 镜面反射光强可表示为 反射方向R计算 R N2cos L 2N N L L 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Ie 理想漫反射光强Id 和镜面反射光强Is的总和 Phong光照明模型 Phong光照明模型 V为视线方向 在简单光照明模型中 只能通过设置物体的漫反射系数来控制物体的颜色 Phong光照明模型的实现对物体表面上的每个点P 均需计算光线的反射方向 为了减少计算量 假设 光源在无穷远处 L为常向量 视点在无穷远处 V为常向量 H N 近似 R V H为L与V的平分向量 Phong光照明模型 Phong光照明模型的RGB颜色模型形式 Phong光照明模型 理想漫反射 Phong模型示例 Phong光照明模型 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 增量式光照明模型 前面讨论的光照模型最后的显示结果均依赖于物体表面法向量 N 的计算而当今流行的三维不规则几何物体通常是用多边形 三角形 来近似模拟的 由于每一个多边形的法向一致 因而多边形内部的象素的颜色都是相同的 而且在不同法向的多边形邻接处 光强突变 使具有不同光强的两个相邻区域之间的光强不连续性 马赫带效应 为了保证多边形之间的光滑过渡 使连续的多边形呈现匀称的光强 就需要根据某种规则对顶点间的各种信息进行加权平均 即所谓的插值算法 牛的三角网格模型 用简单光照明模型显示 用增量式光照明模型显示 增量式光照明模型 增量式光照明模型 插值算法的基本思想在每一个多边形的顶点处计算出光照强度或参数 然后在各个多边形内部进行均匀插值 得到多边形的光滑颜色分布计算机图形学中的两个主要算法是Gouraud明暗处理 双线性光强插值算法 Phong明暗处理 双线性法向插值算法 1 双线性光强插值 Gouraud明暗处理 算法步骤的基本描述 计算多边形顶点的平均法向 用简单光照明模型计算顶点的平均光强 插值计算离散多边形边上的各点光强 插值计算多边形内域中各点的光强 Gouraud明暗处理 1 顶点法向计算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 顶点A相邻的多边形有k个 它的法向量计算为 Gouraud明暗处理 Gouraud明暗处理 2 顶点平均光强计算用Phong光照明模型及平均法向量计算在顶点A处的光强 Gouraud明暗处理 3 光强插值由顶点的光强插值计算各边的光强 然后由各边的光强插值计算出多边形内部点的光强 Gouraud明暗处理 2 双线性法向插值 Phong明暗处理 Phong明暗处理 将镜面反射引进到明暗处理中 解决了高光问题 Phong明暗处理 算法特点 1 保留双线性插值 对多边形边上的点和内域各点 采用增量法 2 对顶点的法向量进行插值 而原顶点的法向量 仍用相邻多边形的法向作平均 3 由插值得到法向 来计算多边形每个象素的光强度 4 假定光源与视点均在无穷远处 光强只是法向量的函数 法向插值方法方法与光强插值类似 其中的光强项用法向量项来代替 基本公式 Phong明暗处理 增量式光照明模型评价 1 双线性光强插值能有效的显示漫反射曲面 计算量小 2 双线性法向插值可以产生正确的高光区域 但是计算量要大的多 3 增量式光照明模型的不足 物体边缘轮廓是折线段而非光滑曲线 等间距扫描线会产生不均匀效果 插值结果决定于插值方向 增量式光照明模型 阴影的生成 阴影的生成 Whyshadow 无阴影图像 Animagewithshadow 阴影的生成 无阴影的物体似乎浮在场景之上阴影则增加了场景的真实感阴影使场景给人以想象的空间阴影给定了光源与物体在场景中相对位置的信息 阴影的生成 阴影是由于光源被物体遮挡而在该物体后面产生的较暗的区域 在真实感图形学中 通过阴影可以反映出物体之间的相互关系 增加图形的立体效果和真实感 确定了物体的阴影区域后 结合到简单光照模型 对于物体表面的多边形 如果在阴影区域内部 那么该多边形的光强就只有环境光 后面的几项光强都为零 否则就用正常的模型计算光强 通过这种方法 就可以把阴影引入简单光照明模型中 使产生的真实感图形更有层次感 阴影的生成 Shadowpolygon 阴影多边形 J F Blinn JimBlinn sCorner MeandMy Fake Shadow IEEEComput Graph Appl 8 1 82 86 January1988 Shadowvolume F C Crow ShadowAlgorithmsforComputerGraphics ComputerGraphics Proc SIGGRAPH 77 11 2 242 248 July1977 Shadowbuffer doublebuffer LanceWilliams CastingCurvedShadowsonCurvedSurfaces ComputerGraphics Proc SIGGRAPH 78 12 3 270 274 1978 三种基本算法 Threebasicshadowalgorithms 阴影的生成 阴影多边形 AlgorithmII ShadowBuffer cont AlgorithmIII ShadowVolume cont 二局部光照明模型 从光电学知识和物体微平面假设出发 介绍镜面反射与物体材质有关的普遍局部光照明模型 电子与信息工程学院计算机科学与技术系 仅处理光源直接照射物体表面的光照明模型称为局部光照明模型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 经验模型 不足之处镜面反射项与物体表面的材质无关有必要研究复杂 普遍的局部光照明模型 局部光照明模型 用局部光反射模型生成的各种材质的瓶子 局部光照明模型 局部光照明模型 理论基础局部光照明模型 1 光的电磁理论光的振动是电磁振动 光波是电磁波的一种 光波由电矢量E和磁矢量H组成 电矢量的振动只限于某一确定方向的光称为平面偏振光 我们把电矢量在各个方向上的时间平均值相等的光称为自然光 可以认为 自然光的一半能量属于与入射面平行的振动 另一半能量属于与入射面垂直的振动 理论基础 理论基础 2 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 看光强的衰减动画 3 微平面理论简单光照明模型假定物体表面是理想光滑的 实际在微观情况下 物体表面粗糙不平 局部光照明模型中反映物体表面的粗糙程度粗糙物体表面由无数微小理想镜面组成 这些平面朝向各异 随机分布 对于每一个微平面 只有在它的反射方向上才有反射光 而其他方向上没有光出现 理论基础 微平面示意图 理论基础 Cook和Torrance于1982年提出 Rbd表示物体对入射光的反射率系数 Ir 反射光的光强Ei 单位时间内单位面积上的入射光能量 局部光照明模型 二局部光照明模型 2020 2 9 55 入射光能量Ei 可用入射光的光强Ir和单位面积向光源所张的立体角dw表示为 于是有反射光光强 局部光照明模型 反射率系数可表示为漫反射率与镜面反射率的代数和 漫反射与镜面反射系数 物体表面的漫反射率 物体表面的镜面反射率 局部光照明模型 局部光照明模型表示 Ir表示物体表面反射光强 IaKa表示环境光的影响 局部光照明模型 简单与局部模型比较 简单光照明模型 Phong 局部光照明模型 局部模型的优点 相对于简单光照明模型而言基于入射光能量导出的光辐射模型反映表面的粗糙度对反射光强的影响高光颜色与材料的物理性质有关改进入射角很大时的失真现象考虑了物体材质的影响 可以模拟磨光的金属光泽 三光透射模型 播放透射动画 光透射模型 自然界的许多物体是透明或半透明的 通过透明物体 如玻璃窗 能清楚地看到其后面的物体 此时 光线会同时产生反射和折射 通过半透明物体 如磨砂玻璃窗 只能看到其后面模糊的景物 此时 光线会同时产生反射 折射和漫射 经折射后的光线将穿过透明或半透明物体而在它的另一个面射出 形成所谓的透射光 光透射模型 Whitted光透射模型Hall光透射模型 光线与透明或半透明表面相交会产生反射与折射 折射光穿过物体形成透射光 1980年 Whitted光透射模型 首次考虑了光线的折射现象 1983年 在Whitted的基础上 Hall光透射模型 考虑了漫透射和规则透射光 光透射模型 在简单光照明模型的基础上 加上透射一项 得到Whitted光透射模型 It为折射方向光强 Kt 为透射系数 是0 1之间的常数 Whitted光透射模型 如果该透明体又是一个镜面反射体 加上反射光一项 得到较完整的Whitted光透射模型 Is为镜面反射方向的入射光强度 Ks 为镜面反射系数 为0 1之间的一个常数 Whitted光透射模型 在Whitted光透射模型基础上推广而来 可以处理规则透射高光 以及理想的漫透射 理想漫透射 透明体的粗糙表面对透射光的作用表现为漫透射 透射光的光强在各个方向均相等 Kdt为物体的漫透射系数 Hall光透射模型 四整体光照明模型 简单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 整体光照明模型 光线跟踪算法辐射度方法 移动光源时光线跟踪 光线跟踪算法 光线跟踪算法 对屏幕上每个像素沿深度方向确定该像素在哪个多边形表面上计算该区域上的光强值 通过各顶点插值并计算而来 最后根据光强值输出该象素的颜色 光线跟踪算法 光线跟踪算法是真实感图形学中的主要算法之一 算法具有原理简单 实现方便和能够生成各种逼真的视觉效果等优点 1968年AppleA给出光线跟踪算法的描述1979年Kay和Greenberg的研究考虑了光的折射1980年Whitted提出了第一个整体光照明Whitted模型 并给出一般性光线跟踪算法的范例 光线跟踪算法 光线跟踪算法 一基本原理二光线跟踪算法的加速 一光线跟踪算法的基本原理 最基本的光线跟踪算法是跟踪镜面反射和折射 从光源发出的光遇到景物的表面 发生反射和折射 光就改变方向 沿着反射方向和折射方向继续前进 直到遇到新的景物 但是光源发出光线 经反射与折射 只有很少的部分可以进入人的眼睛 因此实际光线跟踪算法的跟踪方向与光传播的方向是相反的 而是视线跟踪 一光线跟踪算法的基本原理 由视点向象素发出一根射线 与第一个景物相交后 在其反射与折射方向上进行跟踪 一光线跟踪算法的基本原理 在光线跟踪算法中 涉及4种光线 1条视线E 是由视点V与屏幕上的像素点 x y 发出的射线 对每一景物表面上的交点Pi有3条光线 与光源的连线Si反射光线Ri折射光线Ti 一光线跟踪算法的基本原理 光线跟踪算法构成的光线树 演示光线跟踪动画 光线跟踪终止条件光线射出画面 不再与场景中的景物相交被跟踪的结点对屏幕象素显示光亮度的贡献小于一定阈值达到光线跟踪的最大深度 一光线跟踪算法的基本原理 算法描述 1 由视点向屏幕上所有象素中心发射光线 2 每一根光线与场景中所有景物求交 找到最近的交点 3 计算该点处由光源直接照射产生的光亮度Il 4 若该点处表面为镜面或透射面 则作递归光线跟踪 计算周围环境通过该点向观察者方向投射的整体镜面反射光亮度Ir和透射光亮度It 5 显示每一象素处的光亮度 一光线跟踪算法的基本原理 设置视点 投影平面以及窗口的参数 For 窗口内的每一条扫描线 for 扫描线上的每一个像素 确定从视点指向像素中心的光线ray 像素的颜色 RayTracing ray 1 一光线跟踪算法的基本原理 ColorRayTracing Rayray intdepth 求ray与物体表面最近的交点P if 有交点 用局部光照明模型计算P点的Ic color Ic if depth 给定的最大跟踪层次 计算ray的反射光线 Is RayTracing 反射光线 depth 1 if 物体是透明的 计算ray的透射光线 It RayTracing 透射光线 depth 1 color Ic Is It elsecolor black returncolor 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 一光线跟踪算法的基本原理 算法分析 1 求交计算量占整个光线跟踪计算量90 以上减少求交计算量的方法包围盒方法空间剖分方法 2 点采样容易导致画面走样方法 自适应超级采样基于层次包围盒的快速光线跟踪算法 一光线跟踪算法的基本原理 基本的光线跟踪算法 每一条射线都要和所有的物体求交 处理效率低光线跟踪加速技术是实现光线跟踪算法的重要组成部分包括 提高求交速度 减少求交次数 减少光线条数 采用广义光线和采用并行算法等 二光线跟踪算法的加速 二光线跟踪算法的加速 包围盒技术三维DDA算法基于空间剖分 1包围盒技术包围盒技术是加速光线跟踪的基本方法之一 由Clark于1976年提出1980年 Rubin和Whitted将它引进到光线跟踪算法之中 加速光线与景物的求交测试 二光线跟踪算法的加速 基本思想用一些形状简单的包围盒将复杂景物包围起来 求交的光线首先跟包围盒进行求交测试 若相交 则光线再与景物求交 否则光线与景物必无交利用形状简单的包围盒与光线求交的速度较快来提高算法的效率 二光线跟踪算法的加速 示意图 二光线跟踪算法的加速 基于层次包围盒的快速光线跟踪算法 包围盒 以简单的测试代替光线对包围盒内所含景物的复杂求交运算目标 快速剔除不交的物体对包围盒形状的要求 包裹要紧密求交测试要简便 二光线跟踪算法的加速 层次结构求交测试方法测试光线首先进入该层次的根节点 并从根节点开始 从上向下与各相关节点的包围盒进行求交测试 若一节点的包围盒与光线有交 则光