第八章-真实感图形学.ppt

1、计算机图形学，演讲者：刘胜军Email:1，第8章真实感图形，2，真实感图形的特点，它可以反映物体表面颜色和亮度的细微变化，可以显示物体表面的纹理，通过物体在光照下的阴影，大大提高场景的深度和层次感，充分体现物体之间的相互遮挡关系，并可以模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜面效果，3， 影响观察者所见表面颜色的因素、物体的几何形状、光源位置、距离、颜色、数量、强度、种类和环境的屏蔽关系、光的反射和折射、物体属性和阴影视点位置的材料、颜色、透明度和折射表面光洁度； 4.生成真实图像，使用数学模型来表示真实世界场景中光照效果的物理模型，并计算该数学模型以获得计算机模拟的真实效果。I(x，y，t)代

2、表图像源(成像平面)的空间辐射能量分布，即真实场景物体对该点的辐射能量贡献，因此通常很难获得具体的表达式。其中(x，y)是图像平面坐标，t是时间和波长。5.生成真实图像的关键是I的计算，其计算的核心在于如何模拟光源发出的光在物体之间的传播。光照效果一般包括光反射、光透射、表面纹理和阴影等。颜色是产生高度逼真图像的最重要因素。色彩模型色彩是一门非常复杂的学科，涉及物理、生物学、心理学和材料科学。颜色模型是一种解释特定环境中颜色特征和行为的方法。目前，关于颜色有许多理论、测量技术和颜色标准，但是没有一个关于人类对颜色的感知的理论被普遍接受。7、颜色模型、亮度：它是视觉系统对光源在大时间、单位角度和

3、单位投影平面上辐射的能量的感知属性。饱和度：明度区域的颜色是指颜色的纯度，可以用来区分颜色的敏感度。色调：指颜色的外观，通常指纯度和主频两种颜色特征，用于区分颜色的名称或类型。颜色感知实际上是视觉系统对可见物体辐射或发射的光波波长的感知。色调用红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、青色和紫色等术语来描述。如果两种颜色的光源混合成白光，这就叫做互补色。例如红色和青色、绿色和洋红色、蓝色和黄色。8，颜色模型，9，颜色模型，RGB颜色模型。能够发出光波的物体称为活动物体，其颜色由物体发出的光波决定，因此我们使用RGB加色混合模型。电视机和电脑显示器中使用的阴极射线管是一个活跃的物体。阴极射线管使用三个电子枪

4、来产生三种波长的光，即红、绿和蓝，它们以不同的相对强度结合起来产生颜色。视频显示器采用RGB颜色模型。10，颜色模型，CIE-XYZ颜色模型。三种假想的标准原色x(红色)、y(绿色)和z(蓝色)。(R) (G) (B)=1。11，颜色模型，CMY(K)颜色模型。当三种基本颜色被相等地减去时，CMY颜色模型变成黑色。当减去等量的黄色(Y)和品红色(M)并且青色(C)为0时，获得红色(R)；当减去等量的青色(C)和品红色(M)并且黄色(Y)为0时，获得蓝色(B)；当减去相等的黄色(y)和青色(c)并且品红色(m)为0时，获得绿色(g)。下图显示了三种基本颜色的相减结果。12，彩色模型，CMY(K)

5、彩色模型。CMY彩色模型在印刷术和印刷术中，由于彩色墨水和颜料的化学特性，由c、m和y三种相等颜色所获得的颜色并不是真正的黑色，所以经常添加真正的黑色墨水，所以CMY被写成CMY(K)。13、颜色模型、RGB颜色模型和CMY(K)颜色模型。，14，颜色模型，HSV颜色模型h，色调s，饱和度v，亮度，15，照明模型和表面渲染算法，简单(局部)照明模型(Phong照明模型)多边形渲染方法，透明整体照明模型(Whitted照明模型)光线跟踪算法，16，照明模型和表面渲染算法，照明模型):是用于计算某一点的光强度的模型。17.真实感图形的早期发展。1967年，怀利等人首次在展示物体时增加了照明效果，并

6、认为光强度与距离成反比。1970年，布奈特提出了第一个光反射模型：兰伯特漫反射环境光。1971年，古罗提出了漫反射模型加插值的思想。1975年，Phong提出了第一个有影响的图形光照模型，简单光照模型。1980年，Whitted首次给出了光线跟踪算法，并提出了全光照模型。光源、几何点光源、线光源、面光源、光谱合成、白光、等。各种波长可见光的组合，单色光，19，相关物理知识，光传播和反射定律：入射角等于反射角，并且反射光、入射光和法向矢量在同一平面，20，相关物理知识，折射定律：折射线在入射光线和法线形成的平面上，并且折射角和入射角满足，21，相关物理知识， 能量关系在光的反射和折射中的能量分布

7、(不包括环境光)下标I，d，s，t，v能量项分别表示为入射强度(入射强度)，漫反射强度(差值)，镜面反射强度(镜面反射)，透射强度(透射)，物体吸收的光强度能量是光守恒的量度。 22.光照模型，光照模型：模拟物体表面光照物理现象的数学模型。简单光照明模型：也称为局部光照明模型，它假设物体是不透明的，只考虑光源的直接照明，一般将物体之间的光传播效果模拟为环境光。整体照明模型：一个可以处理物体之间照明交互的模型。23、简单光照明模型，当光照射物体表面时，主要现象发生：漫反射镜的反射部分被吸收成热能，反射光决定物体呈现的颜色；24、简单光照明模型，环境光假设物体是不透明的(即没有透射光)。环境光在空

8、间中近似均匀分布，即在任何位置和任何方向上强度都相同，记录为Ie环境光照度方程：Ie=KaIa Ie由物体表面表示。环境光反射系数Ka:在均匀分布的环境光照射下，不同物体表面的亮度可能不相同，因为它们的环境光反射系数不同。25.简单的光照模型，环境光的例子有两个缺点，不同的环境光反射系数：虽然不同的物体有不同的亮度，同一物体表面的亮度是一个恒定值，并没有自然的过度亮度。26、简单的光照明模型，光被粗糙和暗淡的物体(如粉笔)反射。对于仅暴露于环境光的物体表面，表面上点P处的漫反射强度是Kd，其中Kd是漫反射部分在入射光中的百分比，这被称为漫反射系数(或漫反射率)。27、简单光照明模型，引入点光源

9、。点光源：几何形状是一个点，它位于空间中的某个位置，并向其周围的所有方向辐射相同强度的光。注意它的亮度为Ip。点光源的照明：它的亮度在物体的不同部分是不同的，它的亮度取决于物体的方向和它与点光源之间的距离。28，简单光照明模型，在朗伯余弦定理的右图中，一束光落在两个平面上，这两个平面的大小相同，但相对于入射平行光的空间方向不同。根据朗伯余弦定理，点(b)的漫反射光强度为：29，简单光照明模型，那么，对于任意点的漫反射亮度光照明方程：Id漫反射亮度Ip点光源亮度Kd漫反射系数入射角漫反射光强度只与入射角有关，30，简单光照明模型，设n为物体表面的单位法向量，l为表面上一点指向点光源的单位向量；然

10、后，31，简单光照明模型，结合环境光和漫反射一般需要Ia=(0.020.2)Id。缺点：对于许多物体来说，用上面的公式计算它们的反射光是可行的，但它不适用于大多数物体，如抛光的金属和光滑的塑料，因为这些物体也会产生镜面发射。32，简单光照明模型，镜面反射定义了光在光滑物体(如金属或塑料)表面上的反射：由入射光在光滑物体表面上形成的特别明亮的区域。理想的镜面反射观察者只能看到反射方向上的反射光，而当偏离这个方向时就看不到反射光。33，简单光照明模型，非理想镜面反射p是物体表面上的点，l是点p指向光源的单位矢量，r是反射单位矢量，v是从p指向视点的单位矢量，n是单位法向量。非理想镜面反射亮度光照明

11、方程：34，简单光照明模型，是镜面反射光强度，并随着增加而衰减。Ip是点光源的亮度Ks，是与物体相关的镜面反射系数。Ns是镜面反射参数，ns值与物体表面的粗糙度有关。ns越大，表面越平滑(散射现象越少，稍微偏离视点，亮度急剧下降)，ns越小，表面越粗糙(严重散射现象)。35，简单光照明模型，计算反射方向r，l在n上的投影向量为Ncos，36，简单光照明模型，Phong光照明模型Phong光照明模型属于简单照明模型，它模拟光在物体表面的反射，将光源作为点光源。反射可分为物体之间的相互作用(与环境光)、漫反射、镜面反射)、37、简单光照明模型和峰光照明模型的综合表达从物体表面上的点P反射到视点的光

12、强度I是环境光的反射光强度Ie、理想漫射光强度Id和镜面光强度Is的总和。Phong模型几何，38，简单光照明模型，实现Phong光照明模型需要计算物体表面上每个点p的光反射方向。为了减少计算量，通常使用简化的Phong模型。假设：光源在无穷远处，L是一个常数矢量，V是一个常数矢量，39。简单照明模型，简化的phong模型使用矢量L和V之间的平分线(半角)矢量H来计算镜面反射范围，用N H替换Phong模型中的V R，用cos替换经验cos(当且仅当L、N、R和V在同一平面上时，2)。N H小于V R，因为计算面上的每个点都需要计算向量R，N平分向量h40。简单光照模型，定向光源的光衰减和角强

13、度衰减采用多光源和M光源的光照方程。41.简单的灯光照明模型，例如：图一：线条框图；环境光线；图三：增加漫反射；图四：增加镜面反射；e图片：增加光的衰减；f图：两点光源，42，简单光照模型，示例：43，简单光照模型，多边形绘制方法分类：均匀着色和平滑着色均匀着色方法：取任意一点上的一个如图：两个相邻多边形的法线方向不同，计算出的颜色也不同，所以整个物体表面的颜色过渡不平滑。44，怎么解决？简单照明模型，平滑着色，也称为插值着色Gouraud着色法Phong着色法，45，简单照明模型，Gouraud着色法Gouraud于1971年提出，也称为Gouraud着色法基本思想：计算每个多边形顶点的颜色

14、，然后在每个多边形内部执行线性插值，得到多边形内部每个点的颜色。也就是说，它是一种颜色插值着色方法。注意：Gouraud着色方法不是孤立地处理单个多边形，而是将构成物体表面的所有多边形(多边形网格)作为一个整体来处理。46、简单光照模型，对于多边形网格中的每个多边形，Gourand着色处理分为以下四个步骤：计算多边形的单位法向量；计算多边形顶点的单位法向量；使用光照方程计算顶点强度(颜色)；多边形中每个点的强度(颜色)通过双线性插值获得。47，简单照明模型，顶点法向量计算与一个顶点相邻的所有多边形的平均值近似为该顶点的近似法向量。计算的平均法线通常接近多边形对象的近似曲面的切面。48、简单的光

15、照模型，光强插值线性插值方法：在X轴上的插值可以用同样的方法得到。49、简单照明模型、双线性光强度插值：假设要绘制的三角形的投影是P1、P2和P3，并且扫描线和三角形的两侧分别在点A (Xa，Ya)和点B (XB，Yb)相交。P(x，y)是AB上的一个点。点a的颜色IA通过点P1和P2的颜色I1和I2的线性插值获得，点b的颜色IB通过点P1和P3的颜色I1和I3的线性插值获得，0，50，简单的光照模型，优点：它可以有效地显示漫反射表面，缺点是计算量小：当使用不同的多边形进行表面分割时，高光有时会产生不同的效果。古罗阴影会在表面造成太亮或太暗的条纹，这被称为马赫带效应改善策略。Phong以牺牲时

16、间为代价，提出了双线性法向量插值来解决高光问题。51.简单的光照模型，Phong着色方法的基本思想：通过插值多边形顶点的法向量，我们可以得到内部的。步骤计算多边形单位法向量计算多边形顶点单位法向量对多边形顶点法向量执行双线性插值以获得内部点的法向量。用光照方程计算多边形内部点的颜色。52.简单光照模型，法线插值NA由N1和N2线性插值得到；NB由N1和N3线性插值得到；Np是通过NA和NB线性插值得到的。53.简单光照模型，优点：与古罗法相比，丰着色法绘制的图形更加逼真，体现在两个方面：高光区域的扩散和正确高光区域的生成。缺点：Phong着色方法比Gouraud着色方法计算量大得多；在处理一些多边形分割曲面时，Phong算法不如Gouraud算法。，54，简单照明模型，例如：牛的三角形网格模型是均匀着色和平滑着色，55，简单照明模型，Phong照明模型的缺点，这是第一个有影响的照明模型在现实图形中提出的经验模型，有缺点：显示的对象像塑料，纹理自由的变化没有考虑到物体之间反射光的镜面反射。颜色与材料无关。镜面反射具有较大的入射角失真。56，局部照明模型，微平面理论，57，局部照明模型，微平面反射率菲涅耳公式，反射率是入射角和波长的函数，58，局部照明模型，物体表面反射率。如