CG-9-light-model-new计算机图形学课件

真实感图形绘制

RealisticRendering1真实感图形绘制

RealisticRendering1计算机生成真实感图形的基本任务建模（场景造型，包括贴图）图形变换可见面判断渲染-根据光照模型，计算场景中的颜色，达到视觉上的最佳效果2计算机生成真实感图形的基本任务建模（场景造型，包括贴图）2真实感图形的生成产生真实感图形与很多问题有关:物体类型、物体表面的光学特性。场景中物体表面的相对位置。各种形状不同、颜色不同和位置不同的光源。观察平面的位置和方向。计算机图形学真实感取决于2个主要因素:物体表面的精确表示.场景中光照效果的物理描述.3真实感图形的生成产生真实感图形与很多问题有关:3颜色模型4颜色模型4RGBColorCube5RGBColorCube5CMYColorCube6CMYColorCube6RGBandCMY[CMY]=[111]-[RGB][RGB]=[111]-[CMY]7RGBandCMY[CMY]=[111]-[RHSV模型Hue(0-360)Saturation(0-1)Value(0-1)8HSV模型Hue(0-360)8YIQColorModel|Y|

|0.2990.587

0.114

|

|R|

|I|=|0.596-0.275-0.321|.|G|

|Q|

|0.212-0.5280.311

|

|B|

|R|

|1.0000.956

0.620

|

|Y|

|G|=|1.000-0.272-0.647|.|I|

|B|

|1.000-1.1081.705

|

|Q|9YIQColorModel|Y|

OpenGL颜色模型10OpenGL颜色模型10CG-9-light-model-new计算机图形学课件光照明模型IlluminationModel1).也称光照模型LightingModel或明暗模型ShadingModel2).光照明模型用于计算物体表面给定点光的强度3).计算机图形学的光照明模型由描述物体表面光强度的物理定律推出.4)为了减少光强度的计算，光照模型通常采用简化的经验模型.12光照明模型IlluminationModel1).也称光照明模型IlluminationModel简单的光照明模型所有光源都被认为是点光源.只考虑了光源照射在物体表面的反射光的影响假定物体表面是光滑的理想的材料构成复杂的光照明模型(整体光照模型)考虑发射光周围环境的光对物体表面的影响物体的透明度阴影的处理光源的位置和个数13光照明模型IlluminationModel简单的光照明模光照明模型的基础知识当光照射在物体表面，会出现3种情形：反射光透射光吸收转为热能（当光线照射到不透明的物体，部分光被反射，部分光被吸收；当光线照射到透明的物体，部分光被反射，部分光继续被传送，形成透射）物体表面的反射光和透射光决定了物体呈现的颜色反射光通常被看作是环境反射光、漫反射和镜面反射光组成14光照明模型的基础知识当光照射在物体表面，会出现3种情形：1415表面光照效果由光源和其他表面反射光混合生成15表面光照效果光照明模型的基础知识光源lightsource任一发出辐射能量的对象，对场景中其它对象的光照效果有贡献。一个光源可定义许多特性位置/发射光颜色/发射光方向/形状发光物体都可成为光源。反射光表面可成为反射光源。16光照明模型的基础知识光源lightsource16光源的类型typeoflightsource点光源pointlightsource

光线从一个点向四周辐射发散对场景中比对象小得多的光源的合理逼近离场景不是太近的大光源也可用点光源来模拟平行光源(方向光源)paralleledlightsource也称无穷远光源离场景非常远的大型光源（如太阳）在光照计算中，仅需要发射方向的向量及光源颜色而不需要光源位置聚光源圆锥光束光源除了位置、颜色还要确定一个向量方向如果一个对象位于光源方向范围之外，则得不到该光源的光照17光源的类型typeoflightsource点光源光源的类型typeoflightsource18光源的类型typeoflightsource18光照明模型的基础知识反射定律:入射角等于反射角,而且反射光线、入射光线与法向量在同一平面上。19光照明模型的基础知识反射定律:入射角等于反射角,而且反射光照明模型的基础知识折射定律:折射角与入射角满足η1/η2=sinφ/sinθ,且折射线在入射线与法线构成的平面上。n1和n2分别是两个介质的折射率20光照明模型的基础知识折射定律:折射角与入射角满足η1/表面光照效果环境光AmbientLight物体表面反射环境光的结果漫反射diffusereflection粗糙或颗粒状表面向各方向反射光镜面反射specularreflection光滑表面会集中一个方向反射光，形成一个亮点21表面光照效果环境光AmbientLight21环境光Ambientlight环境光反射光的强度

Ie=Ia·Ka参数Ia

表示环境光的强度环境光对物体的反射光与观察方向无关，与物体表面的空间方向无关.Ka为物体对环境光的反射系数，0<=Ka<=1高反射物体表面的反射系数接近于1低反射物体表面的反射系数近似于022环境光Ambientlight环境光反射光的强度22漫反射和镜面反射23漫反射和镜面反射23漫反射diffusereflection理想漫反射体从物体表面各个方向等强度反射光线，与观察方向无关（与视点位置无关）Lambert’scosineLaw

表面漫反射光强度Id=IpkdcosθIp—入射光的强度（点光源）

kd—入射光的漫反射系数(0<kd<1),由物体表面的材料性质以及入射光的波长所决定。θ

—入射光与表面上点的法向量N之间的夹角24漫反射diffusereflection理想漫反射体从物漫反射diffusereflection25特点：光源来至一个方向，反射光均匀地射向各个方向漫反射diffusereflection25特点：物体表面亮度与光线入射角的关系θ=0，亮度最大；θ=90，表面最暗0<θ<90,θ↑，Ed↓；θ>90，光线照不到表面26物体表面亮度与光线入射角的关系θ=0，亮度最大；θ=90，表漫反射diffusereflection下图表示漫反射系数Kd介于0和1之间时，用上述漫反射方程，球面在单个点光源照明下的漫反射效果。27漫反射diffusereflection下图表示漫反射系镜面反射specularreflection在光滑表面上的某个观察方向可以看到高光highlight或亮点brightspot镜面反射是由于在镜面反射角附近的集中区域内入射光全部或大部分成为反射光28镜面反射specularreflection在光滑表面上镜面反射specularreflection29N–表面法向方向矢量L–点光源入射光方向R–理想镜面反射的单位方向矢量S–

物体表面到观察者方向的单位矢量镜面反射specularreflection29N–表镜面反射specularreflection理想反射(完美镜子),入射光仅在镜面反射方向发生反射，即为β=0.非理想反射物体的镜面反射方向分布在适量R周围有限的范围内.较光滑表面的镜面反射范围较小；粗糙表面则有较大的镜面反射范围.30镜面反射specularreflection理想反射(完镜面反射specularreflection31镜面反射specularreflection31CG-9-light-model-new计算机图形学课件镜面反射specularreflection根据Phone模型提出的公式，镜面反射光的强度取决于物体表面的属性和入射光的角度

Is=IpKsCosnα镜面反射光的强度Ip

入射光的强度α：视线与镜面反射线的角度，0<=α<=90o,0<=Cosα<=1n:反射指数，（1~2000）物体表面越光滑，其值就越大.

很光滑的表面 n

>=100,

粗糙面 n

=1,

完美镜面n

=

∞.33镜面反射specularreflection根据Phon33镜面反射系数Ks物体表面的反射率，也称镜面反射系数，它是入射角和波长的函数，也与入射角θ有关，入射角越大，反射角也越大，反射率会随之增大。Ks=W(θ)对于许多不透明的表面，Ks对各种入射角来说近乎于常数，0<=Ks<=134镜面反射系数Ks物体表面的反射率，也称镜面反射系数，它是入不同材质的镜面反射效果不同材质的镜面反射效果对不同的镜面参数值计算单个点光源场景中球面的镜面反射效果36对不同的镜面参数值计算单个点光源场景中球面的镜面反射效果36组合环境光和漫反射图为Ka与Kd值介于0.001到1.0之间的球面在环境光与一个点光源照射下产生的漫反射37组合环境光和漫反射图为Ka与Kd值介于0.001到1.0之间Phong光照明模型将上述三种反射光的强度迭加在一起，则38上式所进行的光强计算只是假定只有一个点光源的，若场景中有多个点光源，则可以在任一点光源处迭加各个光源所产生的光源效果，这就是Phong光照明模型Phong光照明模型将上述三种反射光的强度迭加在一起，则38Phong光照明模型如果将光源分解成红、绿、蓝三种基色39Phong光照明模型如果将光源分解成红、绿、蓝三种基色3939Phong光照明模型40Phong光照明模型40辐射强度的衰减attenuation辐射光线从一点光源出发在空间进行传播的时候，它的强度会随着距离的增大而减小41辐射强度的衰减attenuation辐射光线从一点光源出发41辐射强度的衰减attenuation对于无穷远光源，光强与距离无关，要同时考虑远距离和局部光源，可将光强衰减函数表达成42辐射强度的衰减attenuation对于无穷远光源，光强与42考虑光强衰减的Phong光照明模型43考虑光强衰减的Phong光照明模型434344图n取不同值时的Phong光照明模型示例

44图n取不同值时的Phong光照明模型示例4545小结简单光照模型环境光Ie=Ia·Ka镜面反射光Is=IpKsCosn

α漫反射光Id=kdIpcosθPhong光照模型46小结简单光照模型4646真实感图形绘制

RealisticRendering47真实感图形绘制

RealisticRendering1计算机生成真实感图形的基本任务建模（场景造型，包括贴图）图形变换可见面判断渲染-根据光照模型，计算场景中的颜色，达到视觉上的最佳效果48计算机生成真实感图形的基本任务建模（场景造型，包括贴图）2真实感图形的生成产生真实感图形与很多问题有关:物体类型、物体表面的光学特性。场景中物体表面的相对位置。各种形状不同、颜色不同和位置不同的光源。观察平面的位置和方向。计算机图形学真实感取决于2个主要因素:物体表面的精确表示.场景中光照效果的物理描述.49真实感图形的生成产生真实感图形与很多问题有关:3颜色模型50颜色模型4RGBColorCube51RGBColorCube5CMYColorCube52CMYColorCube6RGBandCMY[CMY]=[111]-[RGB][RGB]=[111]-[CMY]53RGBandCMY[CMY]=[111]-[RHSV模型Hue(0-360)Saturation(0-1)Value(0-1)54HSV模型Hue(0-360)8YIQColorModel|Y|

|0.2990.587

0.114

|

|R|

|I|=|0.596-0.275-0.321|.|G|

|Q|

|0.212-0.5280.311

|

|B|

|R|

|1.0000.956

0.620

|

|Y|

|G|=|1.000-0.272-0.647|.|I|

|B|

|1.000-1.1081.705

|

|Q|55YIQColorModel|Y|

OpenGL颜色模型56OpenGL颜色模型10CG-9-light-model-new计算机图形学课件光照明模型IlluminationModel1).也称光照模型LightingModel或明暗模型ShadingModel2).光照明模型用于计算物体表面给定点光的强度3).计算机图形学的光照明模型由描述物体表面光强度的物理定律推出.4)为了减少光强度的计算，光照模型通常采用简化的经验模型.58光照明模型IlluminationModel1).也称光照明模型IlluminationModel简单的光照明模型所有光源都被认为是点光源.只考虑了光源照射在物体表面的反射光的影响假定物体表面是光滑的理想的材料构成复杂的光照明模型(整体光照模型)考虑发射光周围环境的光对物体表面的影响物体的透明度阴影的处理光源的位置和个数59光照明模型IlluminationModel简单的光照明模光照明模型的基础知识当光照射在物体表面，会出现3种情形：反射光透射光吸收转为热能（当光线照射到不透明的物体，部分光被反射，部分光被吸收；当光线照射到透明的物体，部分光被反射，部分光继续被传送，形成透射）物体表面的反射光和透射光决定了物体呈现的颜色反射光通常被看作是环境反射光、漫反射和镜面反射光组成60光照明模型的基础知识当光照射在物体表面，会出现3种情形：1461表面光照效果由光源和其他表面反射光混合生成15表面光照效果光照明模型的基础知识光源lightsource任一发出辐射能量的对象，对场景中其它对象的光照效果有贡献。一个光源可定义许多特性位置/发射光颜色/发射光方向/形状发光物体都可成为光源。反射光表面可成为反射光源。62光照明模型的基础知识光源lightsource16光源的类型typeoflightsource点光源pointlightsource

光线从一个点向四周辐射发散对场景中比对象小得多的光源的合理逼近离场景不是太近的大光源也可用点光源来模拟平行光源(方向光源)paralleledlightsource也称无穷远光源离场景非常远的大型光源（如太阳）在光照计算中，仅需要发射方向的向量及光源颜色而不需要光源位置聚光源圆锥光束光源除了位置、颜色还要确定一个向量方向如果一个对象位于光源方向范围之外，则得不到该光源的光照63光源的类型typeoflightsource点光源光源的类型typeoflightsource64光源的类型typeoflightsource18光照明模型的基础知识反射定律:入射角等于反射角,而且反射光线、入射光线与法向量在同一平面上。65光照明模型的基础知识反射定律:入射角等于反射角,而且反射光照明模型的基础知识折射定律:折射角与入射角满足η1/η2=sinφ/sinθ,且折射线在入射线与法线构成的平面上。n1和n2分别是两个介质的折射率66光照明模型的基础知识折射定律:折射角与入射角满足η1/表面光照效果环境光AmbientLight物体表面反射环境光的结果漫反射diffusereflection粗糙或颗粒状表面向各方向反射光镜面反射specularreflection光滑表面会集中一个方向反射光，形成一个亮点67表面光照效果环境光AmbientLight21环境光Ambientlight环境光反射光的强度

Ie=Ia·Ka参数Ia

表示环境光的强度环境光对物体的反射光与观察方向无关，与物体表面的空间方向无关.Ka为物体对环境光的反射系数，0<=Ka<=1高反射物体表面的反射系数接近于1低反射物体表面的反射系数近似于068环境光Ambientlight环境光反射光的强度22漫反射和镜面反射69漫反射和镜面反射23漫反射diffusereflection理想漫反射体从物体表面各个方向等强度反射光线，与观察方向无关（与视点位置无关）Lambert’scosineLaw

表面漫反射光强度Id=IpkdcosθIp—入射光的强度（点光源）

kd—入射光的漫反射系数(0<kd<1),由物体表面的材料性质以及入射光的波长所决定。θ

—入射光与表面上点的法向量N之间的夹角70漫反射diffusereflection理想漫反射体从物漫反射diffusereflection71特点：光源来至一个方向，反射光均匀地射向各个方向漫反射diffusereflection25特点：物体表面亮度与光线入射角的关系θ=0，亮度最大；θ=90，表面最暗0<θ<90,θ↑，Ed↓；θ>90，光线照不到表面72物体表面亮度与光线入射角的关系θ=0，亮度最大；θ=90，表漫反射diffusereflection下图表示漫反射系数Kd介于0和1之间时，用上述漫反射方程，球面在单个点光源照明下的漫反射效果。73漫反射diffusereflection下图表示漫反射系镜面反射specularreflection在光滑表面上的某个观察方向可以看到高光highlight或亮点brightspot镜面反射是由于在镜面反射角附近的集中区域内入射光全部或大部分成为反射光74镜面反射specularreflection在光滑表面上镜面反射specularreflection75N–表面法向方向矢量L–点光源入射光方向R–理想镜面反射的单位方向矢量S–

物体表面到观察者方向的单位矢量镜面反射specularreflection29N–表镜面反射specularreflection理想反射(完美镜子),入射光仅在镜面反射方向发生反射，即为β=0.非理想反射物体的镜面反射方向分布在适量R周围有限的范围内.较光滑表面的镜面反射范围较小；粗糙表面则有较大的镜面反射范围.76镜面反射specularreflection理想反射(完镜面反射specularreflection77镜面反射specularreflection31CG-9-light-model-new计算机图形学课件镜面反射specularreflection根据Phone模型提出的公式，镜面反射光的强度取决于物体表面的属性和入射光的角度

Is=IpKsCosnα镜面反射光的强度Ip

入射光的强度α：视线与镜面反射线的角度，0<=α<=90o,0<=Cosα<=1n:反射指数，（1~2000）物体表面越光滑，其值就越大.

很光滑的表面 n

>=100,

粗糙面 n

=1,

完美镜面n

=

∞.79镜面反射specularreflection根据Phon