图形学光照与明暗处理

1、1第八章明暗处理为了使用几何模型创造逼真的图形场景, 我们根据物体的材质属性、光源位置和视点计算物体表面的光照亮度。2内容Phong 照明模型点光源线光源反射漫反射镜面反射环境反射Gouraud 明暗处理Phong 明暗处理阴影3点光源n为表面法向.n在平面上各点处是相等的s 为光源的方向. s 根据位置的不同不断改变,例如, s1 s2 . 光源靠近物体表面时，s的改变量变得更大 sns1s2nn4线光源当光源离得较远时, s的变化将变得不明显. 当距离变得非常远时, s在一个表面上保持不变 例如太阳. 被称为线光源 (或平行光源, 或分散光源.) ssnn5令 Ii 为入射光的强度 ,为

2、s和 n 的夹角大小, 0o 90o.Ii cos 为单位表面区域接收到的光的数量当 = 0, 入射光垂直于表面。表面 接收到的入射光的数量最多例如： 正午的太阳光当 = 90o时，它接收不到光照。当 90o 时，光在表面的另一边，它也接收不到光照。cossncos6漫反射一个完美的粗糙表面几乎 可以向所有方向反射光Lambert 余弦定律反射的光的数量为 Id = Rd Ii cosRd ,漫反射系数为：0 Rd 1Id 与视点无关 cos 为s 在 n上的投影. 如果s 和 n 是单位向量,cos = s n (点乘)snsncosMicroscopic view7衰减 当光远离表面时，光

3、的强度变弱对于一个点光源, 衰减系数为, d 为到点光源的距离.a, b, 和 c 为以经验选择的启发式参数 、对于一个定向光源, Af = 121dAf21cdbdaAf( in theory )( in practice )8漫反射 从一个点光源从一个线光源 Id = Rd Ii cos = Rd Ii (s n)(cos22nscdbdaIRcdbdaIRIididd9Pure diffuse reflection from directional source pointing (1,1,1)10镜面反射平滑的亮的表面对光的反射. 纯镜面反射的例子11镜面反射一个亮的表面以一个标准的方

4、向反射光r 在跨越 n 和 s的表面上. 它和n的夹角大小与n和s的夹角大小相等 . 0o 90o. 当从 v方向观察表面上的一个点时，光的反射量为：Ii , 入射光强度 Rs , 镜面反射系数, 0 Rs 1snrkissIRIcossnrv12 为标准反射线 (r) 和视线 (v) 的夹角在一个亮表面上, 当 v 偏离 r 时很少能发现反射光. 当当在一个阴暗的表面上, 在v处能发现更多的光。 这种现象可用 cosk 来建模. k 为物体的反光度。k越大，亮度越高。cos = r v光的衰减的建模与漫反射相同。kissIRIcossnrv13-0.200.20.40.60.811.2-2-

5、1.5-1-0.500.511.5250cos-0.200.20.40.60.811.2-2-1.5-1-0.500.511.52-0.200.20.40.60.811.2-2-1.5-1-0.500.511.52-0.200.20.40.60.811.2-2-1.5-1-0.500.511.524cos10coscos14镜面反射从点光源从线光源kiskisscdbdaIRcdbdaIRI)(cos22vr kiskissIRIRI)(cosvr 15找到反射射线 r, 根据 n 和 sr, n 和 s 为归一化向量.red_arrow = (n s) nr + s = 2 red_arro

6、w r = 2 (n s) n s rsrsrsn16模拟材质属性为了提高效率, 在公式中使用 h n来近似r v。h 被称为 half-way 向量.h = ( s + v ) / 2snrvhnhvr 17使用模拟材质属性进行漫反射从一个点光源从一个线光源kiskisscdbdaIRcdbdaIRI)(cos22nhkiskissIRIRI)(cosnhh = ( s + v ) / 218k shall less than 12819纯镜面反射20环境光的反射(background), Ia由于表面之间的多次反射，环境光(IAm) 为均匀亮度.Ia = Ra IAmRa , 环境光反射系

7、数, 0 Ra 1Ia 和表面法向及视点无关 , 和光源的位置 (或方向) 无关21Pure Ambientfloat globalAmbient = 0.9, 0.9, 0.9, 1.;glLightModelfv( GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, globalAmbient );22OverallPure DiffusePure AmbientPure Specular23整体 Phong 照明模型对点光源的反射对线光源的反射amakisiddIRIRcdbdaIRI)( )(2nhnsamakisiddIRIRIRI)( )(nhns24Shiny Teapot 为生成彩

8、色图片, 分别对红色、绿色和蓝色进行明暗处理运算。GLfloat specular = 1., 1., 1., 1.;GLfloat ambient = .41, .135, .067, 1.;GLfloat diffuse = .41, .135, .067, 1.;glMaterialf( GL_FRONT, GL_SHININESS, 125.);25快速明暗处理 (Flat Shading), 基于多边形 表面的明暗是从表面反射的环境光、漫射光和镜面光的数量。在快速渲染中, 只对多边形上的一个点进行一次反射计算。计算的结果将被赋给多边形上的所有像素. 表面法向被用于计算整个多边形有同样

9、的明暗值方法是有效率的，但过于粗糙。n26一个Mach band 是在两个具有不同明暗值的多边形的邻接边上发现的条纹. Mach bands 经常发现于阴影上我们的眼睛对离散变化的明暗特别敏感 2728Gouraud 明暗处理, 基于顶点的 对多边形上的每个顶点进行一次明暗计算。 每个顶点有一个法向，可能是多边形的法向或者周围相邻几个法向的平均。使用这个顶点的法向计算这个顶点处像素的明暗值。n4n3n2n1n0nbncnandn29被这个多边形覆盖的其他像素的明暗值通过插值得到，如同计算颜色的情况。中间点的颜色C, 由下式得到： ABC)()()1 ()(AB of distanceAC of

10、 distanceBColorAColorCColor30确定被多边形覆盖的一个像素点的颜色D的颜色由A和B确定E的颜色由 A和C确定F点的颜色由D和E确定BACDEF一行像素31Constant ShadingGouraud Shading323334Phong 明暗处理,基于像素 不同于 Gouraud 明暗处理技术的对每个像素处明暗值进行插值计算, Phong提出对多边形上的每个像素的法向进行插值计算。然后计算每个像素处的明暗值。 使用 Gouraud 明暗处理技术, 我们常常需要将一个表面分割成小块来得到满意的结果。 Phong 明暗处理技术减少了过多的分割，但是需要更多的计算。 它能

11、产生更高质量的图片但也更慢。BACDEFA row of pixels35插值计算边缘和每一行像素的法向36Phong 明暗处理技术示例37OpenGL 中的照明技术Enable/Disable lightingglEnable( GL_LIGHTING); /setting colors are ignoredglDisable( GL_LIGHTING);指定一个阴影模型Either flat shading or smooth (Gouraud) shading glShadeModel( GL_FLAT); glShadeModel( GL_SMOOTH);指定每个顶点的法向量. 例如

12、, 在原点绘制球体时glNormal3f( x, y, z); glVertex3f( r*x, r*y, r*z);38在另一个法向被指定前，一个法向一直保持有效。/Draw a cylinderglBegin( GL_QUAD_STRIP); t = 0.; dt = (360. / nslice) * 3.1416 / 180.; for (j = 0; j = nslice; +j) glNormal3f( cos( t), 0., sin( t); glVertex3f( cos( t), 0., sin( t); glVertex3f( cos( t), 2., sin( t);

13、t = t + dt; glEnd();zyx39void triangle( float v3, int a, int b, int c) glBegin(GL_TRIANGLES);glVertex3fv( va); glVertex3fv( vb); glVertex3fv( vc); glEnd(); void tetrahedron() float v3 = -1., -1., -1., 1., -1., 1., -1., 1., 1., 1., 1., -1. ; glNormal3f( -1., -1., 1.); triangle( v, 0, 1, 2); glNormal3

14、f( 1., 1., 1.); triangle( v, 1, 3, 2); glNormal3f( -1., 1., -1.); triangle( v, 0, 2, 3); glNormal3f( 1., -1., -1.); triangle( v, 0, 3, 1);(1,-1,1) (-1,1,1) (1,1,-1)xzy1320(-1,-1,-1) 40为了避免需要提供单位法向的困扰，你可以通过在 init() 中增加以下语句来让系统为你归一化所有向量 glEnable( GL_NORMALIZE);为一个光源指定颜色元素 (r, g, b, a) GLfloat ambient0

15、 = 0.1, 0.1, 0.1, 1.;/Grey GLfloat diffuse0 = 1., 1., 1., 1.; /White GLfloat specular0 = 1., 1., 1., 1.;/White glLightfv( GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambient0); glLightfv( GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, diffuse0); glLightfv( GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular0);41实际生活中，一个光源的漫反射和镜面反射经常是相同的。 环境光依赖于环境。如果环境中有很多红色物体 ,

16、环境光则微微倾向于红色。 GLfloat a = 0.1, 0., 0., 1.;/Very pale red GLfloat d = 1., 1., 0., 1.; /Yellow GLfloat s = 1., 1., 0., 1.;/Yellow glLightfv( GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, a); glLightfv( GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, d); glLightfv( GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, s);42OpenGL 已经可以调用下面语句将它转化为(r, g, b),作为全局环境光. float globalAmbi

17、ent = r, g, b, 1.; glLightModelfv( GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, globalAmbient );指定一个点光源的位置 GLfloat light_position = 2., 4., 6., 1.; glLightfv( GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);指定线光源的方向。 GLfloat light_position = 1., 1., 1., 0.; glLightfv( GL_LIGHT1, GL_POSITION, light_position);s 为从物体指向光源的方向。它和光线方向

18、相反。sn(x,y,z)43可以定义8个光源GL_LIGHT0, GL_LIGHT1, , GL_LIGHT7打开或关闭一个特定的光源 (在绘制之前或之后 )glEnable( GL_LIGHT0); glDisable( GL_LIGHT0);默认模式下, OpenGL 假设观察者在无穷远处，这样视角为一个常数。 当观察者实际离得很近时，这种近似会导致严重的错误。To ask OpenGL to use the true viewing angle in the calculation of specular reflection. glLightModeli( GL_LIGHT_MODEL

19、_LOCAL_VIEWER, GL_TRUE);44网格大小的影响 (Important)下面, 一个发光的白墙被分成不同的大小并用一个白色的线光源来渲染 GLfloat ambient0 = 0., 0., 0., 1.;GLfloat diffuse0 = .7, .7, .7, 1.; GLfloat specular0 = 1., 1., 1., 1.;position = 0., 0., 1., 0.; /光源方向/视点位置 (0, 0, 8)20 2010 104 42 21 1FastSlow45线光源和点光源在一个白色发光物体上的比较. 视点位置在 (0, 0, 8)Point

20、 sourceat (0,0,8)Dir. sourceat (0,0,1)46对于一个点光源, 我们可以指定一个常数为衰减系数glLightf( GL_LIGHT1, GL_CONSTANT_ATTENUATION, .0); glLightf( GL_LIGHT1, GL_LINEAR_ATTENUATION, .5); glLightf( GL_LIGHT1, GL_QUADRATIC_ATTENUATION, 0.);默认值为 a = 1, b = 0, c = 0 (没有衰减)对于更高的衰减,则为 b 和 c设定一个更高的系数, e.g., 1, 1.5, 2 or 3.21cdbd

21、aAf47定义一个聚光灯 (一个特殊的点光源)的颜色值，位置，衰减常数的指定方式和普通点光源相同。另外, 我们可以指定聚光灯的方向和遮光角度4850403020 GLfloat light_direction = 0, 0, -1; /From the light glLightfv( GL_LIGHT2, GL_SPOT_DIRECTION, light_direction); glLightf( GL_LIGHT2, GL_SPOT_CUTOFF, 20.);截止角在白墙上的影响。49e = 0e = 10e = 100也可以设置GL_SPOT_EXPONENT默认值为 0 表示光强度从中

22、心到边缘均匀分布一个更高的衰减范围导致中心强度更强。 glLightf( GL_LIGHT2, GL_SPOT_EXPONENT, 10.);50指定一个亮红色物体的反射比 GLfloat diffuse = .41, .135, .067, 1.; GLfloat specular = 1., 1., 1., 1.; glMaterialfv( GL_FRONT, GL_AMBIENT, diffuse); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_DIFFUSE, diffuse); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_SPECULAR, specular);

23、 glMaterialf( GL_FRONT, GL_SHININESS, 125.);白色光源的方向为 (1,1,1)51材质的反射镜面反射的红色、绿色和蓝色分量一般是相同的，因此光源的原始颜色将被反射。 (在上一副关于茶壶的图片中最亮的部分为白色，和光源的颜色一样。)对于高度反光的材质，镜面反射率接近于 1 并且亮度可高达 100 甚至更高.暗表面的镜面反射率和亮度接近于 0。一个材质属性, 例如, 反射比,在下一个值被指定之前保持有效。52材质的颜色主要取决于漫反射率。漫反射提供很多曲率和物体深度的信息。镜面反射产生的亮点为光源的模糊图像。53OverallPure DiffusePur

24、e AmbientPure Specular54 GLfloat ambient = .6, .59, .42, 1.; GLfloat diffuse = .5, .5, .35, 1.; GLfloat specular = .1, .1, .07, 1.; glMaterialfv( GL_FRONT, GL_AMBIENT, ambient); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_DIFFUSE, diffuse); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_SPECULAR, specular); glMaterialf( GL_FRONT, GL_SH

25、ININESS, 1.);光源为位于 (1, 1, 1)处的白色线光源5556发光为让一个材料看起来发光, 例如, 下一页中的月亮. GLfloat emission = r, g, b, a; glMaterialfv( GL_FRONT, GL_EMISSION, emission); 关闭emission: 将 r-, g-, b-部件设定为0值.注意一个发光物体不是一个光源. 发光只是材质的一个属性GLfloat emission = 1., 1., .75, 1.;glMaterialfv( GL_FRONT, GL_EMISSION, emission);draw_moon();G

26、Lfloat no_em = 0., 0., 0., 1.;glMaterialfv( GL_FRONT, GL_EMISSION, no_em);57使用5种材质渲染的一副图片, 两个纹理, 16 个点光源. 月亮是一个发光物体。5859Transparent透明物体60透明物体1. 定义混合函数，并打开混合 glBlendFunc( GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA); glEnable( GL_BLEND);2. 定义材质的不透明度小于 1.3. 在绘制透明物体之前先绘制背景物体. 正面和背面都使用填充多边形绘制。void transMateria

27、l1() GLfloat a = .7, 1., .85, .3; GLfloat s = 1., 1., 1., 1.; glMaterialfv( GL_FRONT, GL_AMBIENT, a); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_DIFFUSE, a); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_SPECULAR, s); glMaterialf( GL_FRONT, GL_SHININESS, 100.);*616263所有的 OpenGL 参数, 包括光照, 都有默认值. 在指定一个新的参数值之前，这个参数值一直保持有效。默认GL_LIGHT0 发出

28、白光并且位于视点处。确切的光照明效果是很难预测的。 在调节光照参数时实验和经验都很重要。在一个PC机上 OpenGL 提供的照明效果是有限的。 64ShadowsShadow65ShadowBShadows from a directional light source使用 i, j, k, l, p and ; 来移动茶壶.使用 arrows and PgUp 和 PgDn keys 来移动光源.66光的方向为 (dx, dy, dz). (x, y, z) 在平面上的阴影位于(x, y, z).我们有 x = x + dx, y = y + dy, z = z + dz. 另外, a (x

29、 + dx) + b (y + dy) + c (z + dz)+ d = 0. = (a x + b y + c z + d) / (a dx + b dy + c dz)(x, y, z)(x, y, z)a x + b y + c z + d = 0(dx, dy, dz)671000zyxdzcdybdxadzddybdxadzbdzadyddycdzcdxadyadxddxcdxbdzcdybwzyx.)()()(zydxcdybdxadxdzdxcydxbxdxcdybxdxdxcdybdxadzcybxaxx= (a x + b y + c z + d) / (a dx + b

30、dy + c dz)68/设定矩阵 M 使得它将一个顶点投影到平面上/ ax + by + cz + d = 0./ 光线的方向为(dx, dy, dz).void directionalLightShadow( double dx, double dy, double dz, double a, double b, double c, double d, GLfloat M16) M0 = b*dy+c*dz; M4 = -b*dx; M8 = -c*dx; M12 = -d*dx; M1 = -a*dy; M5 = a*dx+c*dz; M9 = -c*dy; M13 = -d*dy; M

31、2 = -a*dz; M6 = -b*dz; M10 = a*dx+b*dy; M14 = -d*dz; M3 = 0; M7 = 0; M11 = 0; M15 = a*dx+b*dy+c*dz;69GLfloat M16;double dx = , dy = , dz = ; glDisable( GL_LIGHTING);glColor4f( 0., 0., 0., 1.);glPushMatrix(); directionalLightShadow( dx, dy, dz, 0, 0, 1, 5, M); glMultMatrixf( M); drawTeapot(); glPopMa

32、trix();在平面 z + 5 = 0上绘制茶壶的阴影光线的方向为 (dx, dy, dz)ShadowB70ShadowA从一个点光源得到的阴影71假设点光源位于原点. 顶点 (x, y, z) 的在平面上的阴影为 (x, y, z).因此我们有x = x, y = y, z = z. 另外, a ( x) + b ( y) + c ( z) + d = 0. = d / (ax + by + cz) x = d x/ (ax + by + cz) 10dcdbda010000100001zyxwzyx.dcdbdazyzyxxx(x, y, z)(x, y, z)(0,0,0)ax + by + cz + d = 072如果光源位