第九章简单光照明模型

1、Computer Graphics第九章第九章 简单光照明模型简单光照明模型Computer Graphics综述综述 光照明模型是生成真实感图形的基础，简言之，光照明模型是根据光学物理中的有关定律，计算出景物表面上任一点投向观察者眼中的光亮度的大小和色彩组成的公式，从而在显示器上生成所显示的真实感图形。 本章主要介绍一下简单光照明模型。 Computer Graphics光照产生的场景Computer Graphics9.1 9.1 简单光照明模型简单光照明模型用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感图形必须完成四个基本的任务 建模投影变换可见性计算可见面颜色用数学方法建立所构造三维场景的几

2、何描述，并将他们输入计算机，这部分工作可由三维立体造型或曲面造型系统来完成将三维几何描述转化为二维透视图，这可通过对场景的透射变化来完成确定场景中的所有可见面，这需要使用隐藏面消除算法将视域之外或被其他物体遮挡的不可见面消去。计算场景中可见面的颜色。Computer Graphics9.1.1 9.1.1 光源光源v 光源称为发光体v 反射表面（如房屋的墙壁）则称为反射光源 光源反射面图9.1 通常在一个不透明且不发光的物体表面所观察到的光线是其反射光，它 由光源与其他物体表面的反射光所共同产生Computer Graphics光源的属性光源的属性v光源的几何形状： 点光源、线光源、面光源和体

3、光源v光源向四周所辐射光的光谱分布： 漫反射：粗糙物体表面往往将反射光向各个方向散射，物 体颜色实际是入射光线被漫反射后所表现的颜色。 镜面反射：光源产生的高光或强光。v空间光亮度分布： 在计算机图形学中，认为光源通常朝空间各个方向发射的光强是相同的，但实际情况常常不是这样，例如遮挡。图9.2 表面的漫反射，镜面反射Computer Graphics9.1.2 9.1.2 材质材质v 材质是真实感图形生成中重要的一个方面v 材质的颜色是由它所反射的光的波长决定的v 如果光线被投射至一个不透明的物体表面，则部分光线被反射，部分被吸收。 物体表面的材质类型决定了反射光线的强弱。 表面光滑较亮的材质

4、将反射较多的入射光，而较暗 的表面则吸收较多的入射光。 v 同样对于一个半透明物体的表面，部分入射光会被反射，而另一部分则被折射。 Computer Graphics9.1.3 9.1.3 简单光照明模型简单光照明模型 v 讨论不包含透射光的简单光照明模型。假设物体不透明，那么物体表面呈现的颜色仅由其反射光决定。 v 反射光组成： 环境反射、漫反射、镜面反射Computer Graphics1 1 环境反射光环境反射光v 由环境光在邻近物体上经过多次反射所产生的。光是来自四面八方的，例如从墙壁，地板及天花板等反射回来的光，可以看作是一种分布式光源。v 一个可见物体在仅有环境光照明的条件下，其上

5、各点明暗程度完全一样，分不出哪个地方亮，哪个地方暗。v 其环境反射光亮度可表示为： (9.1) Ia：为物体的环境光反射亮度 Ipa：为环境光亮度 ka：为物体表面的环境光反射系数(0ka1) aapaIk IComputer Graphics2 2 漫反射光漫反射光v 漫反射分量表示特定光源在景物表面某一点的反射光中那些向空间各方向均匀反射出去的光。 v 表面对入射光在各个方向上都有相同强度的反射，因而无论从哪个角度观察，这一点的光亮度都是相同的 v 郎伯余弦定律 对于一个漫反射体，表面的反射光亮度和光源入射角（入射光线和表面法向量的夹角）的余弦成正比，即 (9.2) cosddpdIk I

6、iId：为物体表面漫反射光的光亮度Ipd：为光源垂直入射时反射光的光亮度i：为光源入射角 kd：为漫反射系数，决定于表面材料及入射光的波长(0kd1)对于漫反射体，它的表面除受特定光源照射外，还受到从周围环境来的反射光的照射。因此适用于漫反射体的光照明模型可写成 (9.3) cosdadpdIIk IiComputer Graphics 球面漫反射球面漫反射v 由于A A点的光源入射角为零,故发出的光亮度最大(为Ipd)v 而B B和B B的光亮度就弱些。v 由于C C和C C的光源入射角为90。，故其表面光亮度为零。v 球面的明暗过渡曲线如图9.3 (b)所示光亮度IpdIpd图 9.3 简

7、单漫反射模型用于球面(a) (b) CBABCIpdcosiiCBABCComputer Graphics3 3 镜面反射光镜面反射光v 镜面反射光为朝一定方向的反射光 v 根据光的反射定律，反射光和入射光对称地分布于表面法向的两侧。 v 对纯镜面，入射至表面面元上的光严格地遵循光的反射定律单向反射出去 v 对于一般光滑表面,由于表面实际上是由许多朝向不同的微小平面组成,其镜面反射光分布于表面镜面反射方向的周围v 采用余弦函数的幂次来模拟一般光滑表面的镜面反射光的空间分布。 (9.4) cosnsspsIk IIs： 为观察者接受到的镜面反射光亮度Ips：为入射光的光亮度：为镜面反射方向和视线

8、方向的夹角，n：为镜面反射光的会聚指数(与物体表面光滑度有关) ks：为镜面反射系数(与材料性质和入射光波长有关)N反射光入射光光滑平面 N反射光入射光镜面Computer Graphics 视点相关性视点相关性v 投向观察者的镜面反射光不仅取决于入射光，而且和观察者的观察方向有关。v 当视点取在镜面反射方向附近时，观察者接受到的镜面反射光较强，而偏离这一方向观察时，镜面反射光就会减弱甚至消失。 图9.5 Phong光照明模型用于光滑球面时的情形I IpspsI Ipspscoscosn nE ED DEE (a) (b)E ED DEEI Ipdpd光亮度Phong光照明模型应用于光滑平面时

9、图9.5(a)中D D点处镜面反射方向和视线方向一致(=0)，D处呈现明亮的高光。而在E和E点，变大使观察者接受到的镜面反射光急剧下降。图9.5(b)给出了镜面反射分量的明暗过渡曲线。Computer GraphicsPhongPhong光照明模型光照明模型v 物体表面上任一点射向视点的光亮度I应为环境光、漫反射光和镜面反射光的总和v 多个光源时 vka、kd和ks分别表示环境反射，漫反射和镜面反射分量的比例系数 其中符号表示对所有特定光源求和，kd+ks=1 v 基于RGB三基色颜色系统的Phong模型coscosnapadpdspsIk Ik Iik I(coscos)napadpdsps

10、Ik Ik Iik IcoscosnpspspsspdpdpddpapapaabgrkibgrkbgrkbgrComputer GraphicsPhongPhong光照明模型光照明模型v一旦反射光中三种分量的颜色以及它们的系数一旦反射光中三种分量的颜色以及它们的系数ka, ka, kdkd和和ksks确定之后，从景物表面上某点达到观察者的确定之后，从景物表面上某点达到观察者的反射光颜色就仅仅和光源入射角和视角反射光颜色就仅仅和光源入射角和视角有关，有关，v因此，因此，PhongPhong模型实际上是纯几何模型模型实际上是纯几何模型。 PhongPhong光照明模型是真实感图形学中提出的第一个光

11、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，生成图象的真实度已经达到有影响的光照明模型，生成图象的真实度已经达到可以接受的程度可以接受的程度; ;Computer GraphicsPhongPhong光照明模型光照明模型的特点v 1)1)假设光源为理想点光源，且不考虑其辐射光强的空间分假设光源为理想点光源，且不考虑其辐射光强的空间分布。布。v 2)2)除了曲面的法向量外，曲面的所有几何信息均不予考虑。除了曲面的法向量外，曲面的所有几何信息均不予考虑。v 3)3)表面漫反射光亮度和镜面反射光亮度均被认为是对光源表面漫反射光亮度和镜面反射光亮度均被认为是对光源入射光的直接反射。入射光的

12、直接反射。v 4)4)表面镜面反射光亮度由一个经验模型来模拟，但当该光表面镜面反射光亮度由一个经验模型来模拟，但当该光亮度达到显示器所能显示的最高色度时，其变化将被裁剪亮度达到显示器所能显示的最高色度时，其变化将被裁剪掉。掉。v 5)5)用镜面高光指数用镜面高光指数n n来模拟景物表面的光滑程度。镜面高光来模拟景物表面的光滑程度。镜面高光指数指数n n的变化可使光源看上去变大或变小。的变化可使光源看上去变大或变小。v 6)6)镜面反射光的颜色被假定成光源的颜色，而与表面材质镜面反射光的颜色被假定成光源的颜色，而与表面材质属性无关。属性无关。v 7)7)周围环境对景物表面的影响，即环境光，被假设

13、为一常周围环境对景物表面的影响，即环境光，被假设为一常数。数。Computer Graphics 和和 的计算的计算 设L L0，N N0，R R0，V V0是与L L，N N，R R，V V相应的单位向量，则 其中 动态显示场景，特别是采用平行光线绘制时，上述处理技术会大大减少 计算量。因为对这种情况，L L0和N N0一次计算好，以后可反复使用。)(cos00NL i VR)(cos00000cos2LNRiiPVRNL图 9.6 Phong模型计算中涉及的各方向向量N0L0R0i图 9.7 R0的表示cosicosComputer Graphics9.2 9.2 光滑明暗处理技术光滑明暗

14、处理技术v 产生真实感图形时，为了提高算法的效率，光滑的景物表面常由一些多边形予以近似。 v 但是若使用通常的多边形扫描线算法来绘制这种近似表示的物体，则生成的图形将失去原有曲面的光滑性，而呈现多面体状。这是由于不同平面片之间存在不连续的法向量，导致由多个平面片表示的物体表面光亮度呈现不连续跃变。v 代表算法：Gouraud光亮度插值和Phong法向量插值技术 (a) (b)图9.8 光滑表面的多边形表示7123465Computer Graphics9.2.1 9.2.1 GouraudGouraud明暗处理技术明暗处理技术v 算法思想： 将曲面表面某一点的光亮度做近似表示，近似值为该曲面的

15、各多边形顶点光亮度的双线性插值。v 步骤： 多边形各顶点光亮度计算 光亮度线性插值 I1V1V2V3B 扫描线扫描线 AI2I3P (Ip)图9.9 采用双线性插值计算P点的光亮度Computer Graphics I1V1V2V3B 扫描线扫描线 AI2I3P (Ip)图9.9 采用双线性插值计算P点的光亮度11222121IyyyyIyyyyIAAA31313131BBByyyyIIIyyyy其中yi（i1，2，3，A，B）为各点投影到屏幕之后的y轴坐标。其中xi（iA，B，P）为各点投影到屏幕之后的x轴坐标。BPPAPABBABAxxxxIIIxxxx采用Gouraud明暗处理不但可以克

16、服用多边形近似表示曲面时曲面的光亮度不连续现象，而且计算量也很小 。为了进一步提高计算效率，线性插值可使用增量法进行计算，其计算量仅涉及一次加法计算。 9.2.1 Gouraud明暗处理技术明暗处理技术Computer Graphicsv 可沿扫描线，从左至右顺序计算ABAB区段上所有象素的光亮度。 v 设IA,IB已确定，P P1和P P2点是相邻两象素的坐标，相邻象素的插值参数之差为I，那么，P P2点光亮度和P P1点光亮度之间有以下关系： I1V1V2V3B 扫描线扫描线 AI2I3P (Ip)图9.9 采用双线性插值计算P点的光亮度IIxxIIIIAB112)/()(PABPP这种增

17、量方式的光亮度计算使得Gouraud明暗处理广泛用于速度要求较高的应用领域。如飞行模拟，动画设计以及CAD领域中的快速显示等。9.2.1 Gouraud明暗处理技术明暗处理技术Computer Graphics顶点光亮度计算顶点光亮度计算v 取多边形各顶点处原始曲面的法向量为该点的法向量v 取共享该顶点的各多边形法向量的平均值作为该顶点处曲面的法向量如右图： v 右图中某个四边形的四个顶点处的法向量相等，则会导致四个顶点处的光亮度相等，采用Gouraud明暗处理技术将使多边形面片内各点光亮度取常数，这显然是不正确的。对这种情况的处理方式是把多边形面片分割成更细小的多边形。由于这些多边形起到了过

18、渡作用，因而避免了错误。 )(414321NNNNNPN3N2N1N4P图 9.10 取曲面的法向量的平均值作为P点的法向量图 9.11 Gouraud明暗处理光照明(a)(b)Computer GraphicsGouraudGouraud明暗处理技术的缺点明暗处理技术的缺点v Gouraud明暗处理不能正确地模拟高光 采用光亮度插值后将使多边形内的高光丢失。v Gouraud明暗处理所绘制画面会诱发马赫带效应v 虽然光亮度双线性插值保证了由多边形近似表示的曲面上各处光亮度的连续变化，但在相邻多边形的公共边界上光亮度的一阶导数并不连续，由于人眼的光学错觉，光亮度变化一阶导数不连续的边界处会呈现

19、亮带或黑带，即马赫带效应。Computer Graphics马赫带效应是指视觉的主观感受在亮度有变化的地方出现虚幻的明亮或黑暗的条纹，马赫带效应的出现是人类的视觉系统造成的。生理学对马赫带效应的解释是：人类的视觉系统有增强边缘对比度的机制。即明暗交界处感到亮处更亮，暗处更暗，是一种主观的边缘对比效应。 Computer Graphics9.2.2 9.2.2 PhongPhong明暗处理技术明暗处理技术v 以增加一定的计算量为代价克服了Gouraud明暗处理的缺点。 v 正确地模拟高光并能大大减轻马赫带效应 v 可采用扫描线双线性插值方法v 法向量插值明暗处理，对多边形顶点处法向量做双线性插值

20、 N1N3BNPA PV1V2V3NAN2NB图 9.12 Phong明暗处理同Gouraud明暗处理中的双线性插值方法类似 仍可采用前述的增量法 Phong明暗处理从求解由多边形近似表示的原曲面的法向量入手，画面真实感较Gouraud明暗处理的绘制结果有明显的改进 由于N为矢量，而I为标量，故进行法向量插值时计算量较大，这影响了它在一些实时图形系统中的直接应用。Computer Graphics矢量插值矢量插值: :PhongPhong模型模型Computer Graphics光照明模型分类光照明模型分类v 依据光照明模型计算在每一象素上可见的景物表面投向观察者的光亮度 v 简单光照明模型 能表现由光源直接照射在漫射表面上形成的连续明暗色调，镜面上的高光以及由于景物互相遮挡而形成的阴影等，具有一定的真实感效果 v 整体光照明模型 除了考虑上述因素外，还要考虑周围环境对景物表面的影响。例如，出现在镜面上的其他景物的映像，通过透明面可观察到后面的景物等。因此，整体光照明模型能模拟出镜面映像，光的折射以及相邻景物表面之间的色彩辉映等较精致的光照明效果。 Computer Graphics9.3