真实感图形处理.ppt

1、图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,1,9.1 简单光照模型,9.2 多边形明暗处理,9.3 物体表面细节模拟,9.6 整体光照模型,9.4 阴影,9.5 透明,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,2,9.1 简单光照模型,光的反射、透射与转化,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,3,环境光光亮度,是对光线复杂传播现象的抽象描述。,在空中的任何位置、任何方向强度相等。,环境光光亮度: Ie=Ka Ia,Ia 入射的环境光亮度 ， Ka物体表面对环境光的反射系数(01)。,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,4,例如,图形学与虚拟环境 郑州大学信息

2、工程学院 赵新灿,5,点光源 向周围辐射等强度的光,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,6,漫反射光光亮度 光源在景物表面的反射光中向空间各方向均匀反射出去的光。 粗糙、无光泽物体（如粉笔）表面对光的反射。,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,7,漫反射光照明方程,Ip-点光源的入射光亮度 Kd-物体表面漫反射系数 (01) -入射角,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,8,将环境光与漫反射结合起来,例子,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,9,镜面反射,光滑物体（如金属或塑料）表面对光的反射.,高光,入射光在光滑物体表面形成的特别亮的区域。,图

3、形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,10,理想镜面反射,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,11,非理想镜面反射,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,12,镜面反射光照明方程,n-镜面反射的会聚指数,V R)n,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,13,将环境光、漫反射与镜面反射结合起来,Phong光照模型,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,14,光的衰减,光在光源到物体表面过程中的衰减 。,衰减函数：,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,15,Phong光照模型：,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,16,产

4、生彩色,选择合适的颜色模型-RGB模型,为颜色模型中的每一种基色建立光照明方程：,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,17,系数分解,基本色彩、亮度分别控制； 环境光与漫反射光的基本色彩统一。,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,18,统一表示为：,=( r, g, b),新的光照明方程:,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,19,采用多个光源的光照明方程,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,20,例子,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,21,一、常数明暗处理模型 (均匀着色方法),9.2 多边形明暗处理,任取多边形上一点，利用光照

5、明方程计算出它的颜色； 用这个颜色填充整个多边形。,适合情况 光源在无穷远处 视点在无穷远处 多边形是物体表面的精确表示,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,22,优点,每个多边形只需计算一次光照明方程，速度快,缺点,相邻多边形颜色过渡不光滑,例子,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,23,处理多边形集合或多面体时，常数明暗处理模型对每个多边形只计算一个光照强度值，然后用此值作为整个多边形平面的明暗值赋给多边形的每个象素，使多边形的每个点都具有相同的明暗度，这种方法称为常数明暗法或平面明暗法(Flat)。 如果使用多边形来作为曲面的近似时，常数明暗处理就很难得出满意的光

6、滑图形。当把曲面离散成许多小的平面多边形时，若离散度较粗，在光照的表面上使用常数明暗处理后，两个相邻的多边形会显出凸起或凹陷的折痕，在连接处就显得比周围处亮或暗，这就是所谓的马赫带效应。,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,24,光滑着色-插值,Gourand明暗处理模型(颜色插值) ),Phong明暗处理模型(法矢量插值),图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,25,Gourand在1971年提出了光强度插值明暗算法。该算法较好地消除了用常数明暗法处理光强度的不连续性，但是在明暗强度函数的斜率急剧变化处仍可看到马赫带效应。即Gourand明暗算法不能完全消除光强度的不连

7、续性。,Gourand明暗算法的基本思想是在各多边形的公共顶点处，用前面得到的光照较准确地计算各顶点的反射光的明暗度。而对于各多边形内部各点的明暗度，则使用线性插值法计算各点的明暗度。,Gourand明暗处理模型(颜色插值),图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,26,Gourand明暗处理算法简单，一般可以得到较满意的光滑表面。它的缺点是除了马赫带效应外，在用周围多边形法线来计算共有顶点的法线时，如果得到相邻顶点的法线平行如图9-9，采用线性插值法计算出平面上各点的明暗值时会得到：各平面上的明暗值相同，图形会出现一块光亮的平坦区域。,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,

8、27,Gourand 着色方法,颜色插值着色方法,步骤,1、计算多边形的,单位法矢量,2、计算多边形顶点,的单位法矢量,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,28,3、利用光照明方程 计算顶点颜色 4、对多边形顶点颜 色进行双线性插 值，获得多边形 内部各点的颜色,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,29,Phong明暗算法又称为法线矢量明暗算法。该方法是将多边形顶点处的法线矢量进行线性插值计算以得到多边形内各点的法线，然后用此插值计算各点的光照明暗度，因而Phong明暗算法的计算量要大于Gourand明暗算法的计算工作量。,Phong算法较好地模拟了局部范围内的表面弯曲

9、度，得到了很好的曲面效果，尤其在镜面反射的高光区显得很真实。即使不是镜面反射情况，Phong明暗算法的效果也明显地优于Gourand算法。这是因为它在每点进行了光照模型的计算，因而大大地减轻了马赫带效应。但是由于每次插值计算后的法线矢量在代入光照模型前都需要单位化，因而也大大地增加了计算工作量。,Phong明暗处理模型(法矢量插值),图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,30,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,31,Phong着色方法,法向插值着色方法,步骤,1、计算多边形单位法矢量,2、计算多边形顶点单位法矢量,3、对多边形顶点法矢量进行双线性插值， 获得内部各点的法

10、矢量,4、利用光照明方程计算多边形内部各点颜色。,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,32,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,33,着色方法存在的问题:,-不光滑的物体轮廓,插值多边形绘制方法,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,34,透视变形 方向依赖性,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,35,公共顶点处颜色不连续 顶点方向不具有代表性,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,36,表面细节多边形 根据生成的纹理构造细节多边形 将细节多边形贴到物体表面,9.3 物体表面细节模拟,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,37,

11、颜色纹理 纹理函数表示,数字图像,数学公式,纹理映射：,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,38,当物体表面是多边形时,直接给定多边形顶点的纹理坐标,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,39,当物体表面是参数曲面时,给定参数与纹理坐标之间的关系,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,40,1、将屏幕像素的四个角点映射到景物坐标空间中可见的物体表面上,3、将像素所对应的纹理坐标空间中的四边形内的所有纹素的值作加权平均，结果作为物体表面的漫反射系数参与颜色计算,2、将景物坐标空间映射到纹理坐标空间,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,41,图形学与虚拟

12、环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,42,采用法向扰动法 目标 产生几何纹理，模拟凸凹不平的物体表面 应用 自然界中植物的表皮等 方法 对物体表面微观形状进行扰动,几何纹理,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,43,9.4 阴影,什么是阴影,光源不能直接照射的区域,对光源来说，不可见的面（隐藏面）,考虑阴影的光照明方程,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,44,Z缓冲器算法产生阴影,将所有景物变换到光源坐标系中，利用Z缓冲器算法按光线方向对景物进行消隐，把那些距光源最近的物体表面上点的深度值保存在阴影缓冲器中,2. 利用Z缓冲器算法按视线方向对景物进行消隐，将得到的每一

13、个可见点变换到光源坐标系中，若它在光源坐标系中的深度值比阴影缓冲器中相应单元的值小，则说明该可见点位于阴影中，否则不是,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,45,优点 算法简单 缺点 每个光源需要一个阴影缓冲器,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,46,阴影细节多边形 算法步骤 在景物空间中，利用裁剪 算法求出被光源直接照射 的多边形或其一部分 将这些多边形作为表面细 节贴在物体表面上,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,47,光线跟踪 从可见点P向光源 发出测试光线，若 该光线在到达光源 之前与其它物体相 交，则P点位于阴影 区域中,图形学与虚拟环境 郑州

14、大学信息工程学院 赵新灿,48,简单透明,简单透明不考虑折射现象,插值透明,过滤透明,9.5 透明,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,49,考虑折射的透明,折射定律,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,50,透射矢量的计算,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,51,9.6 整体光照明模型,物体表面入射光的构成,（1）光源直接照射,（2）其它物体的反射光,（3）透射光,局部光照明模型仅考虑了（1）,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,52,整体光照明方程,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,53,光线跟踪算法的基本原理,自然界中光线的传播过程,光源 物体表面 物体表面 人眼,光线跟踪过程-光线传播的逆过程,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,54,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院 赵新灿,55,光线跟踪算法关键,光线与物体表面的求交,图形学与虚拟环境 郑州大学信息工程学院