d游戏设计光照学习教案

1、会计学1d游戏设计游戏设计(shj)光照光照第一页，共35页。在三维图形(txng)程序中，所有的光照效果都能够通过一定的计算方式生成，这种计算的方式就被称为光照模型（Lighting Model）。在计算机图形学里，把光照模型分为3种：环境光、漫反射、镜面反射。复杂的光照模型可以由这3个分量组成，用公式表示为：ambientdiffusespecularIIII第1页/共35页第二页，共35页。一个物体即使没有直接被光源照射，但只要有光线(gungxin)通过其他物体的折射、反射到达物体，它也可能被看见。这种基于整个自然界环境的整体亮度，称为环境光。环境光没有空间上的位置和方向的特征，只有一

2、个颜色亮度值。环境光模型也被称为全局光照模型（Global Lighting Model）。ambientambientIS第2页/共35页第三页，共35页。漫反射光的空间位置和方向对物体的照明有很大影响。在漫反射光照中一个(y )物体的表面在所有方向上的反射都是一样的。第3页/共35页第四页，共35页。漫反射光照模型遵循Lambert定理，该定理认为(rnwi)，对于理想漫反射的物体表面（完全不光滑并且没有光泽）来说，反射光由物体表面法线N和光向量L（从物体表面的点指向光源的向量）的夹角的余弦值决定。cosdiffusediffuseIS()diffusediffuseISLN第4页/共35

3、页第五页，共35页。观察一下金属物品或者玻璃制品（如玻璃杯）的表面(biomin)，移动自己所处的观察点位置，可以发现玻璃杯表面(biomin)的亮度也在发生变化。这种现象往往发生在光滑物体表面(biomin)的高光反射中，称之为镜面反射（Specular Reflection）。第5页/共35页第六页，共35页。镜面反射的计算公式为：(cos)()ppspecularspecularspecularISSVR公式中的p表示物体表面镜面反射的光强度，可以看出(kn ch)，V和R靠拢，反射光就越亮。第6页/共35页第七页，共35页。R表示反射光线向量(xingling)，可以通过光向量(xin

4、gling)L与法线向量(xingling)N求出2()()2()RNL NLNL NL 第7页/共35页第八页，共35页。在一个场景中，决定光照的因素除了光源以外，还有物体的材质。物体表面材质属性决定了它能反射什么(shn me)颜色的光线以及能反射多少光线。物体的表面材质有很多材质参数，包括：环境反射、漫反射、镜面反射、光亮度（Power）和自发光（Emissive）。分别表示在各种光照模型下的反射系数。第8页/共35页第九页，共35页。引入材质(ci zh)后，物体表面的反射光计算公式变为：()()TotalAmbientDiffuseSpecularEmissiveambientamb

5、ientambientdiffusediffusediffusepspecularspecularspecularIIIIIImSImSLNImSVR第9页/共35页第十页，共35页。物体最终的颜色是几个(j )分量的颜色之和，在进行颜色的叠加时，由于各个RGB分量叠加的值可能会超出1，而最后渲染时需要将光照颜色压缩到0,1之间。在图形系统中，可以按照最大的分量对溢出颜色进行缩放，也可以通过限制给定分量对最终颜色的贡献量来避免颜色偏移。第10页/共35页第十一页，共35页。着色处理是计算光照并由此决定像素颜色的过程(guchng)，主要存在3种类型的着色处理：Flat、Gouraud和Phon

6、g。这3种方法分别基于多边形、顶点和像素来计算光照效果。Flat着色处理也被称为扁平着色处理，它以三角形为单位进行颜色计算，然后用这种颜色对三角形进行填充。Flat着色处理第11页/共35页第十二页，共35页。Gouraud着色处理首先计算(j sun)三角形每个顶点的颜色，然后用顶点颜色通过插值来计算(j sun)三角形内部各个点（像素点）的光照。Gouraud着色处理第12页/共35页第十三页，共35页。Phong着色处理方法用三角形顶点处的法向量通过插值的方式计算(j sun)三角形内部各个点的法向量，再根据各个像素点的法向量重新计算(j sun)像素点的颜色。Phong着色处理第13页

7、/共35页第十四页，共35页。在物理学中，将能够发光的一切物体(wt)都叫光源。常见的光源可以分为3种：点光源、平行光、聚光灯。平行光源表示一个距离被照物体无穷远的光源，由光源发出的光线平行通过整个场景（或者说认为是平行的光线），平行光也可以称为方向光。平行光只有颜色和方向，没有发光位置。第14页/共35页第十五页，共35页。点光源具有特定的位置和颜色亮度(lingd)，向四周所有的方向发出光线，通常也把点光源称为泛光灯（omni）或者球形光源（spherical light）。第15页/共35页第十六页，共35页。点光源的属性包括：位置、颜色(yns)、衰减半径以及衰减率。衰减半径说明了光照

8、的范围，光照强度在光源所处的位置（中心点）最高，向四周逐渐减弱，到达衰减半径的距离时光强变为0。minmaxminmaxmaxminmax10dif ddddIif dddddif dd 第16页/共35页第十七页，共35页。聚光灯和点光源被称为位置光源，因为它们都具有位置的属性(shxng)，在空间中有一个明确的位置。聚光灯表示从空间的一个特定位置向特定的方向放射光子。第17页/共35页第十八页，共35页。聚光灯的属性是3种光源中最多的，包括位置（position）、方向（direction）、距离衰减因子（attenuation）、内半径（theta）、外半径（phi）以及内外锥衰减（fa

9、lloff）。可以把聚光灯光源看作由内外两个锥形组成，内部锥形中的光照强度最强，从内部锥形到外部锥形逐渐减弱，同时(tngsh)，光照强度也受到距离的影响，距离光源位置越远，光照强度越弱。第18页/共35页第十九页，共35页。在进行光照计算时，需要顶点的法线。法线分为顶点法线和面法线，面法线垂直于面，在面法线的方向上是正面，背向(bi xin)面法线方向的是背面。顶点法线垂直于一个面，并且位于顶点之上，顶点法线说明了多边形表面的平滑程度。第19页/共35页第二十页，共35页。通常情况(qngkung)下，可以用三角形的面法线作为顶点法线。1212pABABpCBCBnpp /顺时针输入三角形3

10、个顶点，计算面法线。void ComputeTriNormal(D3DXVECTOR3& v1, D3DXVECTOR3& v2, D3DXVECTOR3& v3,D3DVECTOR& normalVec)D3DXVECTOR3 tmpV1=v1-v2;D3DXVECTOR3 tmpV2=v1-v3;D3DXVECTOR3 tmpNormalVec;D3DXVec3Cross(&tmpNormalVec, &tmpV1, &tmpV2);/向量叉乘D3DXVec3Normalize(&tmpNormalVec,&tmpNormalVec);/单位化向量normalVec=(D3DVECTOR)

11、tmpNormalVec;第20页/共35页第二十一页，共35页。需要在顶点中添加(tin ji)法线的信息以便进行光照计算。struct CUBE_CUSTOMVERTEXFLOAT x, y, z;/顶点位置坐标FLOAT tu, tv/纹理坐标FLOAT nx, ny, nz;/顶点法线;/定义顶点格式#define CUBE_D3DFVF_CUSTOMVERTEX (D3DFVF_XYZ|D3DFVF_TEX1|D3DFVF_NORMAL)第21页/共35页第二十二页，共35页。在Direct3D中，结构D3DMATERIAL9定义了物体的材质(ci zh)属性。typedef str

12、uct _D3DMATERIAL9 D3DCOLORVALUE Diffuse; D3DCOLORVALUE Ambient; D3DCOLORVALUE Specular; D3DCOLORVALUE Emissive; float Power; D3DMATERIAL9;TotalAmbientDiffuseSpecularEmissiveIIIII第22页/共35页第二十三页，共35页。设定好材质，需要(xyo)用函数SetMaterial指定材质HRESULT SetMaterial( CONST D3DMATERIAL9 *pMaterial/指向定义材质的指针);D3DMATERI

13、AL9 mtrl;ZeroMemory( &mtrl , sizeof(D3DMATERIAL9);mtrl.Diffuse.r = 0.8f;mtrl.Diffuse.g = 0.6f;mtrl.Diffuse.b = 0.5f;mtrl.Diffuse.a = 1.0f;/m_pD3DDevice为有效的Direct3D设备m_pD3DDevice-SetMaterial(&mtrl);第23页/共35页第二十四页，共35页。在Direct3D中有3种光源类型(lixng)：方向光（Directional Light）、点光源（Point Light）和聚光灯（Spot Light）。ty

14、pedef enum _D3DLIGHTTYPE D3DLIGHT_POINT = 1,/点光源 D3DLIGHT_SPOT = 2,/聚光灯 D3DLIGHT_DIRECTIONAL = 3,/直射光（或平行光） D3DLIGHT_FORCE_DWORD = 0 x7fffffff D3DLIGHTTYPE;第24页/共35页第二十五页，共35页。在Direct3D中，使用结构体D3DLIGHT9定义(dngy)各种类型光源的属性。typedef struct _D3DLIGHT9 D3DLIGHTTYPE Type;/光源类型 D3DCOLORVALUE Diffuse;/漫反射颜色 D3

15、DCOLORVALUE Specular;/镜面反射颜色 D3DCOLORVALUE Ambient;/环境光颜色 D3DVECTOR Position;/位置 D3DVECTOR Direction;/方向 float Range;/方位 float Falloff;/光源内外锥衰减 float Attenuation0;/距离衰减系数 float Attenuation1;/距离衰减系数 float Attenuation2;/距离衰减系数 float Theta;/内锥 float Phi;/外锥 D3DLIGHT9;第25页/共35页第二十六页，共35页。光源类型(lixng)不同，光

16、源的属性也不同。D3DLIGHT9 d3dLight;memset(&d3dLight,0,sizeof(d3dLight);d3dLight.Type=D3DLIGHT_POINT;d3dLight.Diffuse.r=1.0f;d3dLight.Diffuse.g=1.0f;d3dLight.Diffuse.b=1.0f;d3dLight.Ambient.r=0.1f;d3dLight.Ambient.g=0.1f;d3dLight.Ambient.b=0.1f;d3dLight.Position.x=-300;d3dLight.Position.y=300;d3dLight.Positi

17、on.z=-300;d3dLight.Attenuation0=1.0f;d3dLight.Attenuation1=0.0f;d3dLight.Attenuation2=0.0f;d3dLight.Range=400.0f;点光源第26页/共35页第二十七页，共35页。光源类型不同(b tn)，光源的属性也不同(b tn)。D3DLIGHT9 d3dLight;memset(&d3dLight,0,sizeof(d3dLight);d3dLight.Type = D3DLIGHT_DIRECTIONAL;d3dLight.Direction.x = 1.0f;d3dLight.Directi

18、on.y = 0.0f;d3dLight.Direction.z = 0.0f;d3dLight.Diffuse.r = 1.0f;d3dLight.Diffuse.g = 1.0f;d3dLight.Diffuse.b = 1.0f;/环境光d3dLight.Ambient.r = 0.1f;d3dLight.Ambient.g = 0.1f;d3dLight.Ambient.b = 0.1f;平行光第27页/共35页第二十八页，共35页。光源类型不同(b tn)，光源的属性也不同(b tn)。D3DLIGHT9 d3dLight;memset(&d3dLight,0,sizeof(d3dL

19、ight);d3dLight.Type = D3DLIGHT_SPOT;d3dLight.Position.x= -300.0f;d3dLight.Position.y= 300.0f;d3dLight.Position.z= -300.0f;d3dLight.Direction.x = 1.0f;d3dLight.Direction.y = 0.0f;d3dLight.Direction.z = 0.0f;d3dLight.Diffuse.r = 1.0f;d3dLight.Diffuse.g = 1.0f;d3dLight.Diffuse.b = 1.0f;聚光灯/环境光d3dLight.

20、Ambient.r = 0.0f;d3dLight.Ambient.g = 0.0f;d3dLight.Ambient.b = 0.0f;/镜面反射d3dLight.Specular.r = 0.0f;d3dLight.Specular.g= 0.0f;d3dLight.Specular.b= 0.0f;d3dLight.Attenuation0 = 1.0f; d3dLight.Attenuation1 = 0.0f; d3dLight.Attenuation2 = 0.0f; d3dLight.Range = 100.0f;d3dLight.Phi = 10.0f;d3dLight.The

21、ta = 1.0f;d3dLight.Falloff= 1.0f;第28页/共35页第二十九页，共35页。/m_pDevice为有效(yuxio)的Direct3D设备m_pDevice-SetRenderState(D3DRS_LIGHTING, TRUE)激活光照运算/m_pDevice为有效的Direct3D设备/d3dLight为一个表示光源的指针m_pDevice-SetLight(0,&d3dLight);指定光源/m_pDevice为有效的Direct3D设备m_pDevice-LightEnable(1, TRUE); /使能灯光打开光源第29页/共35页第三十页，共35页。光照(gungzho)模型光源Direct3D中基本光照(gungzho)的实现第30页/共35页第三十一页，共35页。单选题单选题1下列选项中不属于光照模型概念的是（下列选项中不属于光照模型概念的是（ ）。）。A环境光环境光B漫反射漫反射 C镜面反射镜面反射 D聚光灯聚光灯2关于着色处理的类型，以下说法正确的是（关于着色处理的类型，以下说法正确的是（ ）。）。APhong着色处理速度最快着色处理速度最快BFlat着色处理最为真实着色处理