第十一章-真实感图形生成技术ppt课件

1、7.1 7.1 概述概述一、真实感图形定义一、真实感图形定义 真实感图形的显示是使用计真实感图形的显示是使用计算机产生同照片同样的黑白图像算机产生同照片同样的黑白图像或彩色图像。或彩色图像。 计算机图形学研究目的最终计算机图形学研究目的最终是用计算机生成图形，具有真实是用计算机生成图形，具有真实感使物体和自然界中物体感使物体和自然界中物体 类似，类似，包括颜色、纹理、明暗等。包括颜色、纹理、明暗等。第七章第七章 真实感图形生成技术真实感图形生成技术二、真实感图形应用二、真实感图形应用1、产品外形设计、产品外形设计2、飞行驾驶模拟训练、飞行驾驶模拟训练3、动画制作、城市规划、医学气象等、动画制作

2、、城市规划、医学气象等三、真实感图形特点三、真实感图形特点1、反映物体表面颜色和亮度、反映物体表面颜色和亮度2、表现物体质感、表现物体质感3、能通过光照下物体的阴影，、能通过光照下物体的阴影， 改善场景的深度感和层次感改善场景的深度感和层次感4、能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜像、能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜像 效果效果 四、影响真实感图形因素四、影响真实感图形因素1、物体本身形状、物体本身形状2、物体表面特征：材质、感光度，纹理等、物体表面特征：材质、感光度，纹理等3、照射物体光源、照射物体光源4、物体与光源相对位置、物体与光源相对位置5、物体周围环境、物体周围环境7.2 简

3、单光照模型简单光照模型 一个物体表面为什么会出现一个物体表面为什么会出现明暗、颜色等，主要由于物体发明暗、颜色等，主要由于物体发光达到人眼的结果。光达到人眼的结果。 光照在物体表面上有三种情况：光照在物体表面上有三种情况：1、反射光：光通过物体表面被反射；、反射光：光通过物体表面被反射；2、透视光：对于透明物体光穿过该物体而从另端射出；、透视光：对于透明物体光穿过该物体而从另端射出；3、光被物体吸收而变成热。、光被物体吸收而变成热。 我们视觉效果是反射光和透视光。我们视觉效果是反射光和透视光。下面讨论不包含透射光的简单光照模型。下面讨论不包含透射光的简单光照模型。假设物体不透明，那么物体表面呈

4、现的颜色仅由其反射光假设物体不透明，那么物体表面呈现的颜色仅由其反射光决议，通常人们把反射光考虑成三个分量的组合，这三个决议，通常人们把反射光考虑成三个分量的组合，这三个分量分别是：分量分别是： 环境反射环境反射漫反射漫反射镜面反射镜面反射7.2.1 环境反射光环境反射光 环境反射光是由于邻近物体所造成的光多次反射所产生环境反射光是由于邻近物体所造成的光多次反射所产生的，其光亮度可表示为：的，其光亮度可表示为： Ie=IaKa式中式中 Ie-物体对环境光反射亮度；物体对环境光反射亮度； Ia-环境光亮度；环境光亮度； Ka-物体表面对环境光反射系数物体表面对环境光反射系数0Kal）。）。7.2

5、.2 漫反射光漫反射光 漫反射光是由特定光源在物漫反射光是由特定光源在物体表面反射光中那些向空间各方体表面反射光中那些向空间各方向均匀反射出去的光。设物体表向均匀反射出去的光。设物体表面在面在P点法线为点法线为N，从，从P点指向光点指向光源的向量为源的向量为L，两者夹角为，两者夹角为。于是，点于是，点P处漫反射光的强度为：处漫反射光的强度为： Id =Ip kd cos式中式中 Id 表面漫反射光的亮度；表面漫反射光的亮度； Ip 入射光的光亮度；入射光的光亮度； kd漫射系数漫射系数 0Kd l； 入射光线与法线间夹角，入射光线与法线间夹角，0/2。当物体表面垂直于入射光方向时当物体表面垂直

6、于入射光方向时N、L方向一致看上方向一致看上去最亮。当去最亮。当越来越大，接近越来越大，接近900时，则看上去越来越暗。时，则看上去越来越暗。7.2.3 镜面反射光镜面反射光 上面讨论漫反射是一个粗糙无光泽表面，如粉笔。如上面讨论漫反射是一个粗糙无光泽表面，如粉笔。如果一个点光源照射到一个抛光的金属球时，在球上形成一果一个点光源照射到一个抛光的金属球时，在球上形成一块特别亮的区域，呈现所谓块特别亮的区域，呈现所谓“高光高光”。它是光源在金属球面。它是光源在金属球面上产生的镜面反射光。上产生的镜面反射光。 对于一个理想的镜面，入射到表面上的光严格地遵守光对于一个理想的镜面，入射到表面上的光严格地

7、遵守光的反射定律朝一个方向的反射定律朝一个方向镜面反射方向反射出去；对于镜面反射方向反射出去；对于一般光滑表面，由于表面具有一定粗糙度，其表面实际上一般光滑表面，由于表面具有一定粗糙度，其表面实际上是由许多朝向不同微小表面组成，其镜面反射光散布在反是由许多朝向不同微小表面组成，其镜面反射光散布在反射方向周围射方向周围 。 BTPhong1975年提出来用余弦函数的幂次来模拟镜面年提出来用余弦函数的幂次来模拟镜面反射光的空间分布，可表示为：反射光的空间分布，可表示为： IsIpKs cosnIs 观察者接收到镜面反射光亮度；观察者接收到镜面反射光亮度；Ip 入射光的亮度；入射光的亮度； 镜面反射

8、方向和视线方向的夹角；镜面反射方向和视线方向的夹角； n 镜面反射光的会聚系数镜面反射光的会聚系数 （与物体表面光滑度有关一般取（与物体表面光滑度有关一般取12000；Ks镜面反射系统与材料性质和入射光波长有关）镜面反射系统与材料性质和入射光波长有关）。表面越光滑，其镜面反射光会聚程度较高，表面越光滑，其镜面反射光会聚程度较高，n值较大。值较大。与漫反射不同，镜面反射光与物体颜色无关。与漫反射不同，镜面反射光与物体颜色无关。7.2.4 Phong光照模型光照模型综上所述，从视点观察到物体表面上任一点亮度综上所述，从视点观察到物体表面上任一点亮度I应为环境应为环境光、漫反射光、镜面反射光的总和，

9、即：光、漫反射光、镜面反射光的总和，即： IIeIdIs 即：即： IIe KaIp (Kd cosK s cosn)miinsidpKKIKIIi1)coscos(当光源不只一个，而是有当光源不只一个，而是有m个光源，则上式可写为：个光源，则上式可写为： 这就是简单光照模型。这就是简单光照模型。令令L为入射光方向单位矢量，为入射光方向单位矢量，N为表面为表面法线单位矢量，法线单位矢量，R为反射光方向单位矢为反射光方向单位矢量，量，V为视线方向单位矢量，如图，那为视线方向单位矢量，如图，那么么余弦函数可用矢量点积来表示，即余弦函数可用矢量点积来表示，即 (LN) =cos (RV)=cos 即

10、即 IIa KaIp Kd (LN)K s (RV) n对于彩色显示，可把光源分成红、绿、蓝对于彩色显示，可把光源分成红、绿、蓝(RGB三基色光，对每一基色分别用相应算式来计算，三基色光，对每一基色分别用相应算式来计算，即即 Ir Ia Kar Ip Kdr (LN)Ks (RV) n Ig Ia KagIp Kdg(LN)Ks (RV) n Ib Ia KabIp Kdb (LN)Ks (RV) n上式中镜面反射光一项对三个式子都是一样。上式中镜面反射光一项对三个式子都是一样。7.3.1 概述概述 明暗处理就是使物体表面光明暗处理就是使物体表面光强度强弱表现。强度强弱表现。 上一节介绍了简单

11、照明模型，上一节介绍了简单照明模型，只要知道物体表面某一点的法线只要知道物体表面某一点的法线就可以算出该点反射光强度。就可以算出该点反射光强度。 对于表面是弯曲的形体，计算出曲面每一点法线，然对于表面是弯曲的形体，计算出曲面每一点法线，然后再按照模型来计算每一点明暗程度，计算工作量太大后再按照模型来计算每一点明暗程度，计算工作量太大。7.3 明暗处理方法明暗处理方法 因此，用平面多面体来逼近弯曲表面形体。对于平因此，用平面多面体来逼近弯曲表面形体。对于平面多边形来说，由于它的每个表面都是平面，而在同一面多边形来说，由于它的每个表面都是平面，而在同一平面上，任一点法线都是一样，因此，只要用一个固

12、定平面上，任一点法线都是一样，因此，只要用一个固定的强度值来表示面上所有点即整个面的明暗程度就的强度值来表示面上所有点即整个面的明暗程度就可以了，这样使得计算工作大为简化。可以了，这样使得计算工作大为简化。7.3.1 概述概述 为了不使光强度急剧变化，我们用下面两种方法为了不使光强度急剧变化，我们用下面两种方法。7.3 明暗处理方法明暗处理方法1、哥罗德、哥罗德Gouraud强度插值法强度插值法 2、冯、冯Phong法向插值法法向插值法7.3.2 哥罗德哥罗德Gouraud强度插值法强度插值法 1、计算多边形每个顶点法向量、计算多边形每个顶点法向量 求出与该顶点相邻的多面体各面的法向平均值，作

13、为求出与该顶点相邻的多面体各面的法向平均值，作为该顶点法向。如图该顶点法向。如图P点法向量为：点法向量为： Np=(N1+N2+N3)/3 其中其中N1、N2、N3分别是以分别是以 P为公共顶点为公共顶点的三个面的外法向；的三个面的外法向；Np是是 P点外法向。点外法向。2、计算各个顶点的光亮度、计算各个顶点的光亮度I1，I2，Im 7.3.2 哥罗德哥罗德Gouraud强度插值法强度插值法 3、用插值方法计算出多边形上任一点的、用插值方法计算出多边形上任一点的光强度，如图：光强度，如图：21122121yyyyIyyyyIIPPP23322323yyyyIyyyyIIQQQ4、用扫描线方法沿

14、水平方向插值来计算出多边形内部各点的光亮度值，例如点R的光亮度可以用下式计算：PQPRQPQRQPRxxxxIxxxxII 利用哥罗德法思路简明，计算方便，但对于镜面反射利用哥罗德法思路简明，计算方便，但对于镜面反射处理不理想，我们可用下面方法处理。处理不理想，我们可用下面方法处理。7.3.3 冯冯Phong法向插值法法向插值法 我们上面介绍方法是以光强度进行插值我们上面介绍方法是以光强度进行插值,但对于镜面反但对于镜面反射光亮度往往不理想射光亮度往往不理想,而而Phong法是以法向进行插值，其原法是以法向进行插值，其原理和上面一样，所不同的是在上面插值公式中用理和上面一样，所不同的是在上面插

15、值公式中用N代替代替I即即可，可，N是一个矢量，是一个矢量，I是标量，所以法向插值计算量大一些，是标量，所以法向插值计算量大一些，但产生效果好，比较真实，能显示出镜面特亮区域。但产生效果好，比较真实，能显示出镜面特亮区域。7.4 阴影生成方法阴影生成方法7.4.1 概述概述1、定义：阴影是指景物中没有被光源直接照射的暗区。、定义：阴影是指景物中没有被光源直接照射的暗区。 在场景中阴影显示出来，可在场景中阴影显示出来，可增强图形立体感，使得计算机生增强图形立体感，使得计算机生成画面更具有真实感。成画面更具有真实感。2、阴影分类、阴影分类（1自身阴影自身阴影（2投射阴影投射阴影投射阴影又分为：本影

16、和半影投射阴影又分为：本影和半影1、本影、本影 物体影子中间全黑的轮廓分明部分是本影。本影是没有物体影子中间全黑的轮廓分明部分是本影。本影是没有被光源照射部分。被光源照射部分。2、半影、半影 本影周围半明半暗部分是半影，半影是一部分被光源照本影周围半明半暗部分是半影，半影是一部分被光源照射，一部分未被光源照射。本影计算复杂，一般只考虑半射，一部分未被光源照射。本影计算复杂，一般只考虑半影计算。影计算。7.4.2 自身阴影生成方法自身阴影生成方法 生成过程如下：生成过程如下： （l首先将视点置于光源位置，以光线照射方向作为观察首先将视点置于光源位置，以光线照射方向作为观察方向，对在光照模型下的物

17、体实施消隐算法，判别出在光方向，对在光照模型下的物体实施消隐算法，判别出在光照模型下的物体的照模型下的物体的“隐藏面并在数据文件中加以标识；隐藏面并在数据文件中加以标识；（2然后按实际的视点位置和观察方向，对物体实施消然后按实际的视点位置和观察方向，对物体实施消隐隐算法，生成真正消隐后的立体图形；算法，生成真正消隐后的立体图形；（3检索数据文件，核查消隐后生成的图形中，是否包检索数据文件，核查消隐后生成的图形中，是否包含有在光照模型下的含有在光照模型下的“隐藏面隐藏面”。如有，则加以阴影符号。如有，则加以阴影符号标识这些面。标识这些面。7.4.3 投射阴影生成方法投射阴影生成方法1、影域多面体

18、方法、影域多面体方法2、Z缓冲器方法缓冲器方法3、光线跟踪法、光线跟踪法7.4.3 投射阴影生成方法投射阴影生成方法1、影域多面体方法、影域多面体方法 基本思想：先求出景物空间中光线被该物体轮廓多边形所基本思想：先求出景物空间中光线被该物体轮廓多边形所遮挡的区域，即影域多面体。然后遮挡的区域，即影域多面体。然后 再判断其后物体是否在再判断其后物体是否在该影域内，若在影域内为阴影。该影域内，若在影域内为阴影。这个算法与扫描线算法相结合就容易实现。这个算法与扫描线算法相结合就容易实现。 7.4.3 投射阴影生成方法投射阴影生成方法2、Z缓冲器方法缓冲器方法 由于阴影是光线照射不到面观察者却可见到的

19、区域，由于阴影是光线照射不到面观察者却可见到的区域，换句话说，阴影是相对于光源不可见而观察点却可见到换句话说，阴影是相对于光源不可见而观察点却可见到的区域。所以在画面中生成阴影的过程基本上相当于的区域。所以在画面中生成阴影的过程基本上相当于二次消隐，一次是对光源消隐，另一次是对视点消隐，二次消隐，一次是对光源消隐，另一次是对视点消隐，Z缓冲器算法就是基于这个原理。缓冲器算法就是基于这个原理。 该法的优点：该法的优点：能处理任意复杂的景物，可以较方便地在光滑曲面上能处理任意复杂的景物，可以较方便地在光滑曲面上生成阴影，且计算量小，程序简单；生成阴影，且计算量小，程序简单；缺陷：阴影缓冲器的存储耗

20、费较大。缺陷：阴影缓冲器的存储耗费较大。 7.4.3 投射阴影生成方法投射阴影生成方法3、光线跟踪法、光线跟踪法 要判断某点是否在阴影内，从该点的光源发一条射线，要判断某点是否在阴影内，从该点的光源发一条射线，若与物体不相交，则说明不在阴影内，若与物体相交，若与物体不相交，则说明不在阴影内，若与物体相交，说明在阴影内。说明在阴影内。这种方法比较易于实现，且可以生成十分真实的阴影这种方法比较易于实现，且可以生成十分真实的阴影，但计算工作量较大。，但计算工作量较大。7.5 整体光照模型和光线跟踪算法 前面介绍了简单光照模型，所考虑条件是对于不透明前面介绍了简单光照模型，所考虑条件是对于不透明物体，

21、若是透明物体，简单光照模型公式就不适合了。物体，若是透明物体，简单光照模型公式就不适合了。 我们先考虑透明性物体简单模型。我们先考虑透明性物体简单模型。7.5.1 透明性简单模型透明性简单模型条件：条件：1、透明体不应折射、透明体不应折射 2、无漫透视，光通过透明体时不产生模糊变形、无漫透视，光通过透明体时不产生模糊变形7.5 整体光照模型和光线跟踪算法整体光照模型和光线跟踪算法7.5.1 透明性简单模型透明性简单模型如图，如图，A是透明体，是透明体，Pt是视线穿过透明体是视线穿过透明体与背后物体与背后物体B的交点。此时由的交点。此时由P点光到达点光到达观察者光强度为：观察者光强度为： I（l

22、tIc十十tIt 0t1 Ic为为 P点光亮度，点光亮度，t为透明系数，为透明系数，t0时时对对应不透明面应不透明面t1为透明面，为透明面，Ic和和It可用可用前面介绍的前面介绍的Phong模型计算。模型计算。这种方法无法模拟光通过透明介质时产生折射现象，这种方法无法模拟光通过透明介质时产生折射现象，须用下面介绍的整体光照明模型。须用下面介绍的整体光照明模型。7.5.2 整体光照模型整体光照模型 景物表面某点景物表面某点P向观察点辐射的光亮度由三部分组成，向观察点辐射的光亮度由三部分组成，依下式求出。依下式求出。 II1十十Is Ks It Kt式中，式中， I1光源直接照射引起的反射光亮度，

23、光源直接照射引起的反射光亮度， 按照按照 Phong模型来计算模型来计算 Is在镜面反射方向上其它物体向点在镜面反射方向上其它物体向点P轴射的光亮度；轴射的光亮度； It在折射方向上其它物体向点在折射方向上其它物体向点P辐射的光亮度；辐射的光亮度； Ks景物表面的反射系数；景物表面的反射系数； Kt景物的透射系数。景物的透射系数。 Is、It的确定要求助于光线跟踪算法。 7.5.3 光线跟踪算法光线跟踪算法如何求象素点如何求象素点P亮度，由三部分组成：亮度，由三部分组成：1、光源直接照射及环境光所产生局部光亮度。、光源直接照射及环境光所产生局部光亮度。2、反射方向来的光对、反射方向来的光对 A

24、的作用。的作用。3、透射方向来的光对、透射方向来的光对A点的作用。点的作用。 A点光强度为：点光强度为： IAI1AIsAKsAItAKtA 为了求为了求IsA和和ItA ，必须求，必须求IB和和IC： IB I1BIsBKsBItBKtB IC I1CIsCKsCItCKtCIsC 可由连续跟踪内反射光线可由连续跟踪内反射光线6求得，求得，ItC背景光。背景光。最后，用最后，用 IsA IB；ItCIC代入求代入求 A点光强度公式点光强度公式，即可求得，即可求得A点光强度。点光强度。跟踪光线结束条件跟踪光线结束条件 光线与光源相交光线与光源相交 光线与背景相交光线与背景相交 被跟踪的光线对着

25、交点处光强度作用趋近于被跟踪的光线对着交点处光强度作用趋近于0 7.6 纹理处理方法纹理处理方法7.6.1 概述概述纹理：物体表面的细节，分颜色纹理和几何纹理。纹理：物体表面的细节，分颜色纹理和几何纹理。颜色纹理：指光滑表面上附加花纹和图案颜色纹理：指光滑表面上附加花纹和图案 ；几何纹理：景物表面微观上呈现的起伏不平；几何纹理：景物表面微观上呈现的起伏不平；颜色纹理用纹理映射来处理，几何纹理用扰动函数来描述。颜色纹理用纹理映射来处理，几何纹理用扰动函数来描述。7.6.2 纹理映射纹理映射纹理映射将平面图案纹理映射将平面图案景物表面图案景物表面图案屏幕空间屏幕空间如图，实际上是坐标间转换。如图，

26、实际上是坐标间转换。设花纹在设花纹在u，w坐标系中，景物表面在坐标系中，景物表面在，中，中，即：即：fu，w），）， gu，w） 或相反或相反 ur，），）， w s，）一般映射函数为线性函数，即一般映射函数为线性函数，即 Au十十B CwD式中式中A，B，C，D可由两个坐标系中已知点之间关系获得可由两个坐标系中已知点之间关系获得 7.6.2 纹理映射纹理映射（a） （b） （c）将将a中所示图案映射到图中所示图案映射到图b中所示球面片上，球面中所示球面片上，球面片位于第一卦限内，图案是由相交直线组成的简单二维网片位于第一卦限内，图案是由相交直线组成的简单二维网格，球面片的参数表示为：格，球面

27、片的参数表示为： xsin sin 0/2 y=cos /4/2 z=cos sin取线性映射函数，取线性映射函数， Au十十B，CwD假定四边形图案的四角映射到四边形曲面片四角片，即假定四边形图案的四角映射到四边形曲面片四角片，即u0，w0，在，在0，/2u1，w0，在，在/2，/2u0，w1，在，在0，/4u1，w1，在，在/2，/4可解得可解得 A/2，B0， C一一/4， D/2故由故由uw空间在空间在空间的线性映射函数为：空间的线性映射函数为： u/2，/2 w/4 由由空间至空间至uw空间的逆映射为：空间的逆映射为： u/ (/2 ) w=（/2 ）/ (/4) 将将uw空间中的一

28、条直线映射到空间中的一条直线映射到空间，然后换算到空间，然后换算到XYZ坐标系，运算结果如表坐标系，运算结果如表71所示，完整的结果如所示，完整的结果如c所示。所示。 表表7.1 空间直线换算表空间直线换算表 u wxyz1/40/8/20.38300.924 1/4 7/160.3750.1950.906 1/23/80.3530.3830.853 3/45/160.3180.5560.7681/40.2710.7070.6537.6.3 扰动映射扰动映射扰动：就是在表面每一点上沿其表面法向方向附加一个新扰动：就是在表面每一点上沿其表面法向方向附加一个新的向量，这一向量比较小，不影响原表面的

29、大致形状，但的向量，这一向量比较小，不影响原表面的大致形状，但对其表面该点处的法向产生较大扰动作用，结果使曲面变对其表面该点处的法向产生较大扰动作用，结果使曲面变得非常粗糙，通过恰当选择扰动函数，可使生成图形具有得非常粗糙，通过恰当选择扰动函数，可使生成图形具有不同的皱折纹理效果。不同的皱折纹理效果。 7.7 图形颜色和颜色模型图形颜色和颜色模型 一个真实感图形离不开颜色，所以说真实一个真实感图形离不开颜色，所以说真实感图形与颜色感图形与颜色有密切关系，但对于颜色认识本质直到现在有密切关系，但对于颜色认识本质直到现在还不十分清楚，还不十分清楚，它涉及到物理学、化学、心理学及生理学。它涉及到物理

30、学、化学、心理学及生理学。7.7.1 颜色的性质颜色的性质1、颜色本质、颜色本质 颜色与物体本身、光源、周围环境及观察者视觉有关系。颜色与物体本身、光源、周围环境及观察者视觉有关系。人们之所以能见到物体，是因为物体本身发出光，另外亦能人们之所以能见到物体，是因为物体本身发出光，另外亦能见到其它的一些物体，这是因为它们能反射光。一张白纸看见到其它的一些物体，这是因为它们能反射光。一张白纸看起来为白色，就因为它在白光照射下，把所有颜色都反射掉起来为白色，就因为它在白光照射下，把所有颜色都反射掉了，什么光也没有被吸收。如果用蓝色灯光照射白纸，这纸了，什么光也没有被吸收。如果用蓝色灯光照射白纸，这纸看起来呈蓝色。看起来呈蓝色。2、颜色的几个术语、颜