CG教案真实感图形的生成技术精讲.ppt

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1、22022-7-5真实感图形应用实例：真实感图形应用实例：32022-7-5在计算机图形设备生成真实逼真的图像、图形，需要经过在计算机图形设备生成真实逼真的图像、图形，需要经过以下以下4个步骤：个步骤：构造几何要素（点、线、多边形、图像、位图），创构造几何要素（点、线、多边形、图像、位图），创建对象的数学描述；建对象的数学描述；在三维空间上放置对象，选择有利的场景观察点；在三维空间上放置对象，选择有利的场景观察点；计算对象的颜色，这些颜色可以直接定义，也可以由计算对象的颜色，这些颜色可以直接定义，也可以由光照条件及纹理间接给出；光照条件及纹理间接给出；1.光栅化：把对象的数学描述和颜色信息转换

2、到屏幕的光栅化：把对象的数学描述和颜色信息转换到屏幕的像素。另外，也可能要执行消隐及对像素的操作。像素。另外，也可能要执行消隐及对像素的操作。显示图形的步骤显示图形的步骤42022-7-5三维空间中，物体之间或同一物体的不同部分之间存在着三维空间中，物体之间或同一物体的不同部分之间存在着相互遮挡关系，如何在图形的显示中反映这种遮挡关系？相互遮挡关系，如何在图形的显示中反映这种遮挡关系？u解决方法：解决方法： 消除隐藏面与隐藏线消除隐藏面与隐藏线现实世界中，人们观察物体产生的真实感觉来源于：现实世界中，人们观察物体产生的真实感觉来源于：物体的空间位置关系物体的空间位置关系近大远小的透视关系和遮挡

3、关近大远小的透视关系和遮挡关系。系。光线传播引起的物体表面颜色的自然分布光线传播引起的物体表面颜色的自然分布明暗过渡明暗过渡的颜色。的颜色。那么，如何在计算机中产生真实感的（逼真的）图形？那么，如何在计算机中产生真实感的（逼真的）图形？u解决方法：解决方法： 建立光照明模型、开发真实感图形绘制方法。建立光照明模型、开发真实感图形绘制方法。如何实现真实感图形的显示？如何实现真实感图形的显示？52022-7-58.1 消隐技术消隐技术图图8-1 图形具有二义性图形具有二义性 (a)线框图线框图 (b) )从右上往下看从右上往下看 (c) )从左下往上看从左下往上看)将三维场景绘制在计算机二维显示屏

4、上必须经过投影变换，将三维场景绘制在计算机二维显示屏上必须经过投影变换，投影变换将三维信息变换到二维平面上，这个过程中深度信息投影变换将三维信息变换到二维平面上，这个过程中深度信息被丢失，生成的图形往往具有二义性，如被丢失，生成的图形往往具有二义性，如图所示。图所示。abc62022-7-5n反映物体间的遮挡关系，就要确定对一个视点来说，反映物体间的遮挡关系，就要确定对一个视点来说，哪些物体的哪些表面是可见的，即确定哪些物体的哪些表面是可见的，即确定可见面可见面。不。不可见的面即为可见的面即为隐藏面隐藏面。n表面模型表面模型：确定可见面等价于消除场景中的不可见：确定可见面等价于消除场景中的不可

5、见面，即消除隐藏面，简称为面，即消除隐藏面，简称为面消隐面消隐 。n线框模型线框模型：显示采用线框模型表示的物体时，要消：显示采用线框模型表示的物体时，要消除不可见的线，即隐藏线的消除，简称除不可见的线，即隐藏线的消除，简称线消隐线消隐。空间遮挡关系，如何在计算机中反映出来？空间遮挡关系，如何在计算机中反映出来？72022-7-5n可见面判别算法，按实现空间可见面判别算法，按实现空间 (实现时所基于的坐实现时所基于的坐标系标系)分为两类分为两类物空间算法物空间算法(Object-space methods)像空间像法像空间像法(Image-space methods)8.1.1判别可见面的算法

6、判别可见面的算法82022-7-5物空间算法物空间算法n物空间算法物空间算法是在定义、描述物体的世界坐标系中实现的，是在定义、描述物体的世界坐标系中实现的，以场景中的物体为处理单元。以场景中的物体为处理单元。for(for(场景中的每一个物体场景中的每一个物体) ) 将其与场景中的其它物体比较，确定其表将其与场景中的其它物体比较，确定其表面的可见部分；面的可见部分； 显示该物体表面的可见部分；显示该物体表面的可见部分； 8.1.1判别可见面的算法判别可见面的算法92022-7-5物空间算法物空间算法n物空间算法物空间算法是在定义、描述物体的世界坐标系中实现的，是在定义、描述物体的世界坐标系中实

7、现的，以场景中的物体为处理单元。以场景中的物体为处理单元。这种方法把物体和物体的某些部分彼此比较，通过有关这种方法把物体和物体的某些部分彼此比较，通过有关几何运算，以确定哪些线或表面是不可见的。然后仅显几何运算，以确定哪些线或表面是不可见的。然后仅显示可见线，以此实现消隐，示可见线，以此实现消隐，算法精度较高，生成的图形可以放大多倍而仍然令人满算法精度较高，生成的图形可以放大多倍而仍然令人满意，适用于精密的工程应用领域。意，适用于精密的工程应用领域。8.1.1判别可见面的算法判别可见面的算法102022-7-5像空间算法像空间算法n像空间算法像空间算法是在观看物体的屏幕坐标系下实现的，它以窗是

8、在观看物体的屏幕坐标系下实现的，它以窗口内的每个像素为处理单元：口内的每个像素为处理单元：for(for(窗口内的每一个像素窗口内的每一个像素) ) 确定与此像素对应的距离视点最近的物体，确定与此像素对应的距离视点最近的物体， 以该物体表面该处的颜色来显示像素；以该物体表面该处的颜色来显示像素； 8.1.1判别可见面的算法判别可见面的算法112022-7-5像空间算法像空间算法在显示图形的屏幕坐标系中实现。在显示图形的屏幕坐标系中实现。对投影平面或显示屏幕上的每一个像素位置逐点地检对投影平面或显示屏幕上的每一个像素位置逐点地检测其可见性。测其可见性。算法比较粗糙，而且按图像空间算法得到的画面在

9、放算法比较粗糙，而且按图像空间算法得到的画面在放大后往往不能令人满意。大后往往不能令人满意。算法计算效率比较高，因为在光栅扫描过程中可以充算法计算效率比较高，因为在光栅扫描过程中可以充分利用画面的连贯性等性质。分利用画面的连贯性等性质。8.1.1判别可见面的算法判别可见面的算法122022-7-5n假设场景中有假设场景中有k个物体，平均每个物体的表面有个物体，平均每个物体的表面有h个多边形个多边形构成，显示区域中有构成，显示区域中有mn个像素，则方法一物空间算法的个像素，则方法一物空间算法的计算复杂度为计算复杂度为 O( (kh)2 ) ，方法二像空间算法的复杂度为，方法二像空间算法的复杂度为

10、 O(mnkh) 。n理论上讲，理论上讲，khmn，即物空间算法的计算量少于像空间，即物空间算法的计算量少于像空间算法的计算量，但实际上物体到视点距离的排序与遮挡判算法的计算量，但实际上物体到视点距离的排序与遮挡判别比较复杂，算法效率很大程度上取决于排序的效率。而别比较复杂，算法效率很大程度上取决于排序的效率。而以扫描线的方式实现像空间算法时容易利用连贯性质从而以扫描线的方式实现像空间算法时容易利用连贯性质从而使得像空间算法更具效率。使得像空间算法更具效率。 n常用的提高消隐算法效率的方法有：利用连贯性、背面剔常用的提高消隐算法效率的方法有：利用连贯性、背面剔除、包围盒技术、空间分割技术等等。

11、除、包围盒技术、空间分割技术等等。 算法复杂度比较：算法复杂度比较：132022-7-5一、利用连贯性一、利用连贯性n相邻事物的属性之间具有一定的连贯性，即从一个事物到相邻相邻事物的属性之间具有一定的连贯性，即从一个事物到相邻的事物，属性值通常是平缓过渡的，例如颜色值、空间位置关的事物，属性值通常是平缓过渡的，例如颜色值、空间位置关系等，这种连贯性可用于提高消隐算法的效率。系等，这种连贯性可用于提高消隐算法的效率。物体的连贯性物体的连贯性n如果物体如果物体A与与 物体物体B 完全相互分离，则在消隐时，完全相互分离，则在消隐时，只需要比较两物体之间的遮挡关系就可以了，而不只需要比较两物体之间的遮

12、挡关系就可以了，而不需要对它们的表面多边形逐一进行测试。需要对它们的表面多边形逐一进行测试。面的连贯性面的连贯性n一张面内的各种属性值一般都是缓慢变化的，允许一张面内的各种属性值一般都是缓慢变化的，允许我们采用增量的形式对其进行计算。我们采用增量的形式对其进行计算。8.1.2 提高消隐算法效率的常用方法提高消隐算法效率的常用方法142022-7-5n区域的连贯性（像素）区域的连贯性（像素）一个区域是指屏幕上一组相邻的像素，它们通常为同一个区域是指屏幕上一组相邻的像素，它们通常为同一个可见面所占据，可见性相同。一个可见面所占据，可见性相同。区域连贯性表现在一条扫描线上区域连贯性表现在一条扫描线上

13、 即为即为 扫描线上的每个扫描线上的每个区间内只有一个面可见。区间内只有一个面可见。n扫描线的连贯性n在相邻的两条扫描线上，可见面的分布情况相似。n深度连贯性n同一表面上的相邻部分深度是近似的，而占据屏幕上同一区域的不同表面其深度不同。这样，在判断表面间的遮挡关系时，只需要取其上一点 计算出深度值，比较该深度值便能得出结果。152022-7-5n消隐与投影密切相关消隐与投影密切相关消隐必须在投影之前完成，因为消隐需要三维信息。消隐必须在投影之前完成，因为消隐需要三维信息。物体之间的遮挡关系，与投影中心（视点）的选取有关。物体之间的遮挡关系，与投影中心（视点）的选取有关。(图图1)物体之间的遮挡

14、关系与投影方式有关。物体之间的遮挡关系与投影方式有关。(图图2)二、将透视投影转换成平行投影二、将透视投影转换成平行投影n对物体进行平行投影比透视投影简单，所以一般先将透视对物体进行平行投影比透视投影简单，所以一般先将透视投影转换成平行投影，再进行消隐。投影转换成平行投影，再进行消隐。162022-7-5包围盒包围盒n一个形体的包围盒，是指包围它的简单形体，如二一个形体的包围盒，是指包围它的简单形体，如二维空间中的矩形、圆，三维空间中的球、长方体等。维空间中的矩形、圆，三维空间中的球、长方体等。一个好的包围盒要具有两个条件一个好的包围盒要具有两个条件:n该包围盒充分紧密地包围着形体；该包围盒充

15、分紧密地包围着形体；n对包围盒的测试比较简单。对包围盒的测试比较简单。常用的包围盒常用的包围盒n长方体长方体n球球n圆柱圆柱三、包围盒技术三、包围盒技术172022-7-5n包围盒技术的应用包围盒技术的应用常用来常用来 避免盲目的求交测试以及各种物体间的比较，避免盲目的求交测试以及各种物体间的比较，以达到减少计算量，提高效率的目的。以达到减少计算量，提高效率的目的。包围盒相交，包围盒相交，A、B也相交也相交包围盒相交，包围盒相交，A、B不相交不相交包围盒不相交，说明包围盒不相交，说明A、B不相交，从而无需对不相交，从而无需对A、B进行相互间的遮进行相互间的遮挡测试；若包围盒相交，则可能有两种情

16、况，还需要进一步判断。挡测试；若包围盒相交，则可能有两种情况，还需要进一步判断。ABAB、为 、 的投影182022-7-5n前向面与后向面（背面）前向面与后向面（背面）若一个多边形的外法向与投影方向（观察方向）的夹若一个多边形的外法向与投影方向（观察方向）的夹角为钝角，称其为角为钝角，称其为前向面前向面。若一个多边形的外法向与。若一个多边形的外法向与投影方向（观察方向）的夹角为锐角，称其为投影方向（观察方向）的夹角为锐角，称其为后向面后向面（背面背面）。）。四、背面剔除四、背面剔除n在没有被遮挡的情况下，前向面是可见的，背面总是被前向面遮挡，从而是不可见的。在消隐之前剔除背面，将大大减少消隐

17、的计算量。192022-7-5n一般，要判断一个物体是否可见，必须将它与场景一般，要判断一个物体是否可见，必须将它与场景中的所有物体进行比较，而不管是否存在相互遮挡中的所有物体进行比较，而不管是否存在相互遮挡的可能。的可能。n为了避免不必要的测试，可以采用分割技术。为了避免不必要的测试，可以采用分割技术。将投影平面上的窗口分成若干小区域将投影平面上的窗口分成若干小区域在物体所在的三维空间中，将视见体分成一个个小的在物体所在的三维空间中，将视见体分成一个个小的长方体。长方体。五、空间分割技术五、空间分割技术202022-7-5n物体的分层表示是指利用模型变换将物体表示成一物体的分层表示是指利用模

18、型变换将物体表示成一棵树的形式。（下图）棵树的形式。（下图）n模型变换的目的是便于把子节点以合适的尺寸与位模型变换的目的是便于把子节点以合适的尺寸与位置安装到其父节点中。置安装到其父节点中。六、物体的分层表示六、物体的分层表示 采用分层表示可以减采用分层表示可以减少场景中物体的个数，从少场景中物体的个数，从而降低算法复杂度。而降低算法复杂度。 将父节点代表的物体将父节点代表的物体看作子节点代表物体的包看作子节点代表物体的包围盒，当两个父节点之间围盒，当两个父节点之间不存在遮挡关系时，就没不存在遮挡关系时，就没有必要对两者的子节点做有必要对两者的子节点做进一步测试。进一步测试。212022-7-

19、5n隐藏线的产生是因为在给定的观察方向下，某些棱隐藏线的产生是因为在给定的观察方向下，某些棱（或棱的一部分）被表面多边形遮挡成为不可见，（或棱的一部分）被表面多边形遮挡成为不可见，因此多面体隐藏线消除可以归结为一个根本问题：因此多面体隐藏线消除可以归结为一个根本问题：在给定的观察方向下，给定一条空间线段在给定的观察方向下，给定一条空间线段P1P2和一和一个多边形个多边形，判断线段是否被多边形遮挡。如果遮，判断线段是否被多边形遮挡。如果遮挡，求出遮挡部分。步骤如下：挡，求出遮挡部分。步骤如下： 将线段和多边形投影到投影平面上得到线段将线段和多边形投影到投影平面上得到线段P1P2 和多边形和多边形

20、 。计算线段计算线段 P1P2和多边形和多边形 各条边的交点。各条边的交点。 8.1.3 多面体隐藏线消除多面体隐藏线消除222022-7-5交点将交点将P1P2分成若干子线段，特别地当交点不存在分成若干子线段，特别地当交点不存在时，子线段只有一个，即时，子线段只有一个，即P1P2自身。在每个子线段自身。在每个子线段上的所有点具有相同的隐藏性。上的所有点具有相同的隐藏性。分别判断各个子线段的隐藏性。分别判断各个子线段的隐藏性。取子线段的中点，判断该点是否在多边形取子线段的中点，判断该点是否在多边形内。内。如不在多边形内，则说明子线段与多边形如不在多边形内，则说明子线段与多边形是分离的，是分离的

21、，不存在隐藏关系，因而该子线段是可见的。不存在隐藏关系，因而该子线段是可见的。如在多边形内，从子线段的中点向视点引射线，如果射如在多边形内，从子线段的中点向视点引射线，如果射线与多边形相交，则该子线段被多边形隐藏，否则该子线与多边形相交，则该子线段被多边形隐藏，否则该子线段可见。线段可见。 232022-7-5n线段和一个多边形进行隐藏性判断时，涉及到的运算线段和一个多边形进行隐藏性判断时，涉及到的运算包括投影变换、平面上线段和多边形的求交、判断点包括投影变换、平面上线段和多边形的求交、判断点是否在多边形内、空间中射线和平面求交等。是否在多边形内、空间中射线和平面求交等。如果将多面体的每条棱与

22、每个多边形都按上面的方法如果将多面体的每条棱与每个多边形都按上面的方法消除隐藏线，那么计算量将非常大。可以采取如下措消除隐藏线，那么计算量将非常大。可以采取如下措施可以减少计算量：施可以减少计算量： 提高消隐效率，减少计算量提高消隐效率，减少计算量 消除自隐藏线、隐藏面消除自隐藏线、隐藏面 利用多面体表面多边形的法矢法矢判别“朝后的面”即不可见面。242022-7-5深度测试深度测试 在观察坐标系下判断线段与多边形的前后关在观察坐标系下判断线段与多边形的前后关系。如多边形完全在线段之后，则线段完全可见，系。如多边形完全在线段之后，则线段完全可见，无需就线段和多边形的遮挡关系进行进一步判断。无需

23、就线段和多边形的遮挡关系进行进一步判断。 包围盒测试包围盒测试 包围盒不相交，线段和多边形也不相交，线段包围盒不相交，线段和多边形也不相交，线段完全可见，无需就线段和多边形的遮挡关系进行完全可见，无需就线段和多边形的遮挡关系进行进一步判断。进一步判断。 252022-7-5常用的面消隐算法常用的面消隐算法n画家算法画家算法nZ缓冲器算法缓冲器算法n扫描线扫描线Z缓冲器算法缓冲器算法n扫描线算法扫描线算法n区域子分算法区域子分算法n光线投射算法等等。光线投射算法等等。8.1.4 面消隐面消隐262022-7-5n画家作画画家作画一、画家算法一、画家算法这种作画的方法这种作画的方法用于消隐，即为用

24、于消隐，即为画家算法画家算法。272022-7-5n画家算法的基本思路：画家算法的基本思路：先将场景中的物体按其距离观察点的远近进行排序，结果先将场景中的物体按其距离观察点的远近进行排序，结果存在一张存在一张线性表线性表中。距观察点远者称其优先级低，放在表中。距观察点远者称其优先级低，放在表头，距观察点近者称其优先级高，放在表尾，这张表称为头，距观察点近者称其优先级高，放在表尾，这张表称为深度优先级表深度优先级表。按照从表头到表尾的顺序逐个绘制物体。由于距离观察点按照从表头到表尾的顺序逐个绘制物体。由于距离观察点近的物体后画，它覆盖了远的物体，最终在屏幕上产生了近的物体后画，它覆盖了远的物体，

25、最终在屏幕上产生了遮挡关系的正确结果，相当于消除了隐藏面。遮挡关系的正确结果，相当于消除了隐藏面。低低高高282022-7-5画家消隐算法画家消隐算法 对场景中的多边形按深度进行排序，对场景中的多边形按深度进行排序，形成深度优先级表；形成深度优先级表； 按从远到近的顺序显示多边形；按从远到近的顺序显示多边形；画家消隐算法：画家消隐算法：低低高高消隐的基本（核心）问题：排序消隐的基本（核心）问题：排序292022-7-5n画家排序算法不能处理多边形循环遮挡的情况和两画家排序算法不能处理多边形循环遮挡的情况和两个多边形相互穿透的情况。个多边形相互穿透的情况。问题问题!n为了避免这种情况的发生，可以

26、将某些多边形分割为了避免这种情况的发生，可以将某些多边形分割为两个。为两个。302022-7-5n深度与可见性深度与可见性二、二、 Z缓冲器算法缓冲器算法uvnumaxvmax312022-7-5nZ缓冲器（缓冲器（Z-buffer)：深度缓冲器深度缓冲器(Depth-buffer)Z 缓冲器算法中除了需要一个用于保存各像素颜色值的缓冲器算法中除了需要一个用于保存各像素颜色值的帧缓冲器之外，还需要一个用于保存各像素处物体深度帧缓冲器之外，还需要一个用于保存各像素处物体深度值的值的Z缓冲器缓冲器。Z缓冲器与帧缓冲器具有同样多的单元，它们的单元之缓冲器与帧缓冲器具有同样多的单元，它们的单元之间存在

27、间存在 1-1对应关系。对应关系。 Z 缓冲器各单元的初始值为缓冲器各单元的初始值为 -1（规范视见体的最小（规范视见体的最小n值）。值）。322022-7-5Z 缓冲器算法：缓冲器算法：n当绘制某个像素时，要确定其颜色。当绘制某个像素时，要确定其颜色。n对屏幕上的像素对屏幕上的像素, 首先检查当前多边形的深度值是否大于保存在该首先检查当前多边形的深度值是否大于保存在该像素所对应的像素所对应的Z缓冲器单元中的该像素原来的深度值。缓冲器单元中的该像素原来的深度值。n如果大于，说明当前多边形更靠近观察点，用它的颜色替换像素如果大于，说明当前多边形更靠近观察点，用它的颜色替换像素原来的颜色；原来的颜

28、色；n否则，说明在该像素处，当前多边形被前面所绘制的多边形遮挡否则，说明在该像素处，当前多边形被前面所绘制的多边形遮挡了，是不可见的，像素的颜色值不改变。了，是不可见的，像素的颜色值不改变。-1RG Y332022-7-5nZ缓冲器消隐算法缓冲器消隐算法for(v=0; v vmax; v+) /初始化初始化 for(u=0; uZ缓冲器的第缓冲器的第(u,v)单元的值）单元的值） 置帧缓冲器的第置帧缓冲器的第(u,v)单元的颜色值为当前多边形颜色值；单元的颜色值为当前多边形颜色值； 置置Z缓冲器的第缓冲器的第(u,v)单元的深度值为单元的深度值为d; 342022-7-5n优点优点算法简单、

29、稳定，便于硬件加速；算法简单、稳定，便于硬件加速；不需要整个场景的几何数据。不需要整个场景的几何数据。n缺点缺点需要一个额外的需要一个额外的Z缓冲器，占用较大的存储空间。缓冲器，占用较大的存储空间。克服这个缺点的方法是，将整个绘图区域分割成若干个小克服这个缺点的方法是，将整个绘图区域分割成若干个小的区域，然后一个一个区域的显示，这样的区域，然后一个一个区域的显示，这样Z缓冲器的单元缓冲器的单元数只要等于一个小区域内像素的个数即可。数只要等于一个小区域内像素的个数即可。Z缓冲器算法的优缺点缓冲器算法的优缺点352022-7-5作业（一）作业（一）解释概念：解释概念： 面消隐、线消隐面消隐、线消隐

30、列举列举3个提高消隐算法效率的常用方法？个提高消隐算法效率的常用方法？画家算法的基本思路是什么？画家算法的基本思路是什么？Z缓冲器消隐算法的基本思路是什么？缓冲器消隐算法的基本思路是什么？362022-7-5n单纯判别物体表面的可见性，单纯判别物体表面的可见性，远远不能反映物体表面的真远远不能反映物体表面的真实感。实感。n物体表面所呈现的颜色是由物体表面所呈现的颜色是由表面向视线方向辐射进入人表面向视线方向辐射进入人眼中的眼中的光光决定的。决定的。8.2 光照技术光照技术n建立建立数学模型数学模型模拟物体表面的光照明物理现象，按照数学模模拟物体表面的光照明物理现象，按照数学模型计算物体表面向视

31、线方向辐射进入人眼中的型计算物体表面向视线方向辐射进入人眼中的光亮度光亮度，即可，即可获得像素所对应的物体上的可见点的颜色，这样绘制出来的获得像素所对应的物体上的可见点的颜色，这样绘制出来的图形具有较强的真实感，如图图形具有较强的真实感，如图6-5(a)。这些数学模型就称为这些数学模型就称为明暗效应模型明暗效应模型或者或者光照明模型光照明模型。 372022-7-5当光线照射到一个物体表面时，主要发生三当光线照射到一个物体表面时，主要发生三 种情况：种情况：反射反射透射（对透明物体）透射（对透明物体）1)部分光被物体吸收转换为热能。部分光被物体吸收转换为热能。 在上述三部分光中，只有反射在上述

32、三部分光中，只有反射光与透射光能够刺激人眼产生颜色，光与透射光能够刺激人眼产生颜色，因而物体表面的反射光和透射光决因而物体表面的反射光和透射光决定了物体呈现的颜色。定了物体呈现的颜色。 这正是简单光照模型需要考虑这正是简单光照模型需要考虑的，的，只考察光源直接只考察光源直接照射下物体表面的反射情况。照射下物体表面的反射情况。 382022-7-5q (d) 理想镜面反射方向理想镜面反射方向与视线方向的夹角与视线方向的夹角 (a) 漫反射漫反射(b) 理想镜面反射理想镜面反射(c) 一般光滑表面的镜面反射一般光滑表面的镜面反射图图6-6 光学反射模型光学反射模型 通常物体表面的反射光可以认为包含

33、三个分量：对通常物体表面的反射光可以认为包含三个分量：对环境光的反射、对特定光源的漫反射和镜面反射。环境光的反射、对特定光源的漫反射和镜面反射。 392022-7-5 环境光环境光(ambient light)来自周围环境来自周围环境(如墙面如墙面)散射散射的光，在空间近似均匀分布，入射至物体表面后向的光，在空间近似均匀分布，入射至物体表面后向空间各个方向均匀反射出去。物体对环境光的反射空间各个方向均匀反射出去。物体对环境光的反射分量表示：分量表示： aaIKI10aK其中其中Ia是入射的环境光亮度；是入射的环境光亮度；Ka是环境光漫反射系数，它与物体表面性质有关。是环境光漫反射系数，它与物体

34、表面性质有关。如果简单光照模型中仅考虑环境光的反射分量，则物如果简单光照模型中仅考虑环境光的反射分量，则物体表面的亮度是一个恒定值，没有明暗的自然过渡。体表面的亮度是一个恒定值，没有明暗的自然过渡。 402022-7-5n粗糙、无光泽物体（如粉笔）表面对光的反射表现粗糙、无光泽物体（如粉笔）表面对光的反射表现为为漫反射漫反射（Diffuse Reflection）。）。n在物体表面某点上，这样的表面对入射光在各个方在物体表面某点上，这样的表面对入射光在各个方向上呈强度相同的反射，因而无论从哪个角度看，向上呈强度相同的反射，因而无论从哪个角度看，该点的亮度都是相同的。该点的亮度都是相同的。412

35、022-7-5n兰伯特兰伯特(Lambert)余弦定律指出：当点光源照射到一余弦定律指出：当点光源照射到一个漫反射体时，其表面反射光亮度和光源入射角的个漫反射体时，其表面反射光亮度和光源入射角的余弦成正比。余弦成正比。 )cos(ldIKI2010dK Il 是来自点光源的入射是来自点光源的入射光亮度。光亮度。 Kd 是漫反射系数，与物是漫反射系数，与物体表面性质有关。体表面性质有关。 是入射光线和表面法是入射光线和表面法矢量的夹角，即入射角。矢量的夹角，即入射角。 422022-7-5q )cos(ldaaIKIKI2010daKK 只考虑对环境光的反射分量和对特定光源的漫只考虑对环境光的反

36、射分量和对特定光源的漫反射分量，则反射分量，则物体表面的反射光亮度物体表面的反射光亮度为为 ：该模型适用于粗糙、无光泽的物体，如粉笔、黑板。该模型适用于粗糙、无光泽的物体，如粉笔、黑板。而对于擦亮的金属、光滑的塑料等光亮物体需要计而对于擦亮的金属、光滑的塑料等光亮物体需要计算镜面反射。算镜面反射。 432022-7-5n对于纯镜面，反射光和入射光对称地分布在表面对于纯镜面，反射光和入射光对称地分布在表面法向的两侧法向的两侧。n对于一般光滑表面，表面可理解为由许多朝向不对于一般光滑表面，表面可理解为由许多朝向不同的微小平面构成，入射光经许多微小平面反射同的微小平面构成，入射光经许多微小平面反射后

37、形成的反射光不再是单向的，而是分布于理想后形成的反射光不再是单向的，而是分布于理想镜面反射方向的周围镜面反射方向的周围。442022-7-5n通常采用余弦函数的幂次来模拟一般光滑表面的通常采用余弦函数的幂次来模拟一般光滑表面的镜面反射光的空间分布。镜面反射光的空间分布。 20)(cosnlsIKIIl 入射光亮度；入射光亮度；Ks 物体表面镜面反射系数；物体表面镜面反射系数； 理想镜面反射方向与视线方向的夹角；理想镜面反射方向与视线方向的夹角；n 镜面反射光的会聚指数。镜面反射光的会聚指数。 452022-7-5q 考虑环境光、漫反射和镜面反射，则物体表面的考虑环境光、漫反射和镜面反射，则物体

38、表面的反射光亮度为反射光亮度为 ：)(cos)cos(nlsldaaIKIKIKIu实际上光的亮度与传播距离的平方成反比，实际上光的亮度与传播距离的平方成反比，Il为光为光源处的光亮度，光线抵达物体表面以及从物体表面源处的光亮度，光线抵达物体表面以及从物体表面反射进入观察者眼睛的过程中存在衰减的问题。反射进入观察者眼睛的过程中存在衰减的问题。u漫反射分量和镜面反射分量应该乘以一个衰减因漫反射分量和镜面反射分量应该乘以一个衰减因子，以取得远的物体看起来暗些的效果。子，以取得远的物体看起来暗些的效果。462022-7-5u当场景的投影变换采用透视投影时，当场景的投影变换采用透视投影时，Warnoc

39、k 提提出线性衰减因子出线性衰减因子1/d，而而Rommey 提出衰减因子提出衰减因子 1/dp 可以取得比较真实的效果。此时可以取得比较真实的效果。此时 Phong 光照模光照模型可以进一步描述为型可以进一步描述为:)(cos)cos(nsdplaaKKKdIIKI其中其中d是物体上当前考察点到视点的距离，是物体上当前考察点到视点的距离，K是一个是一个任意的常量，任意的常量，0p2 。472022-7-5mjjnsjdplaaKKKdIIKIj1)coscos(mjllljnsjdpaaaajjjbgrKKKdbgrK1)coscos(1 实际上，在计算物体上可见点光亮度时，通常实际上，在计

40、算物体上可见点光亮度时，通常是将光亮度转换为光栅图形显示器采用的是将光亮度转换为光栅图形显示器采用的RGB三基三基色，这时计算需要在三个基色上分别进行。色，这时计算需要在三个基色上分别进行。 如果存在多个光源，则将效果线性相加。如果存在多个光源，则将效果线性相加。 此时光照模型可以描述为此时光照模型可以描述为 ：482022-7-5mjlllnsdpaaaamjnsdplaajjjjbgrNHKNLKKdbgrKNHKNLKKdIIKI11)()(1)()( 计算物体上可见点的光亮度时，角度一般是用计算物体上可见点的光亮度时，角度一般是用物体表面的法矢量与入射光线、反射光线的矢量积物体表面的法

41、矢量与入射光线、反射光线的矢量积来计算的。来计算的。 此时光照模型可以描述为此时光照模型可以描述为 ： 建立简单光照模型后，就可以用于消隐算法中建立简单光照模型后，就可以用于消隐算法中计算像素所对应的物体上可见点的亮度。计算像素所对应的物体上可见点的亮度。492022-7-5502022-7-5 光照计算时需要用到多边形上点的光照计算时需要用到多边形上点的法矢量法矢量，如果，如果多边形上点的法矢量总是取多边形的面法矢，则由多边形上点的法矢量总是取多边形的面法矢，则由于不同平面片之间法矢量不连续，最终绘制出来的于不同平面片之间法矢量不连续，最终绘制出来的图像看起来呈多面体状。图像看起来呈多面体状

42、。 q 图图6-7(a) 多边形表示的物体多边形表示的物体 (b) Gouraud明暗处理明暗处理 512022-7-5n首先，多边形的顶点法矢量不再简单的取为其所首先，多边形的顶点法矢量不再简单的取为其所在多边形的面法矢，而是取为共享该顶点的所有在多边形的面法矢，而是取为共享该顶点的所有多边形的面法矢的平均值；多边形的面法矢的平均值；n其次，多边形内部点的法矢量也不再简单地取为其次，多边形内部点的法矢量也不再简单地取为多边形的面法矢，而是利用多边形顶点的法矢量多边形的面法矢，而是利用多边形顶点的法矢量通过双线性插值计算出。通过双线性插值计算出。 明暗处理解决方法：明暗处理解决方法：52202

43、2-7-5 顶点顶点V处的法矢量：为共享该顶点的多边形单位法矢处的法矢量：为共享该顶点的多边形单位法矢量的平均值。量的平均值。11niiniiNVNN即532022-7-5n如图所示，如图所示，P1、P2、P3是多边形顶点，其是多边形顶点，其法矢量法矢量为为共享该点的所有多边形法矢量的平均值。共享该点的所有多边形法矢量的平均值。n由由P1、P2的法矢量可以线性插值计算出的法矢量可以线性插值计算出A点的法矢点的法矢量，由量，由P1、P3的法矢量可以线性插值计算出的法矢量可以线性插值计算出B点的点的法矢量，于是法矢量，于是P点的法矢量可以由点的法矢量可以由A、B点处的法矢点处的法矢量线性插值计算出

44、。量线性插值计算出。n计算出计算出P的法矢量后应用简单光照模型可以计算出的法矢量后应用简单光照模型可以计算出P点的光亮度。点的光亮度。对对P点进行双点进行双线性插值线性插值542022-7-5n对多边形顶点的法矢量进行对多边形顶点的法矢量进行双线性插值，获得多边形内双线性插值，获得多边形内部各点的法矢量。部各点的法矢量。 1222211212121212=AAAAAANNNyyNNyyyyNNNyyNNyyyy由，线性插值得到：由，可得BABAAABBPBBBNxxxxNxxxxNNyyyyNyyyyN33111313类似地有：552022-7-5 由于每个像素点都需要法向量插值和光照计算，由

45、于每个像素点都需要法向量插值和光照计算，Phong明暗处理计算量较大，一种简化的处理方法是先利用光照模明暗处理计算量较大，一种简化的处理方法是先利用光照模型计算出多边形顶点处亮度，然后对亮度进行双线性插值，型计算出多边形顶点处亮度，然后对亮度进行双线性插值，直接获得像素的颜色。直接获得像素的颜色。如图如图所示所示，P1、P2、P3是多边形顶点，其亮度已经计算出。是多边形顶点，其亮度已经计算出。Phong明暗处理计算量远大于明暗处理计算量远大于Gouraud明暗处理，但效果好。明暗处理，但效果好。图 对P点进行双线性插值 A点的亮度可以由点的亮度可以由P1、P2点的亮点的亮度线性插值计算出，度线

46、性插值计算出，B点的亮度可以点的亮度可以由由P1、P3点的亮度线性插值计算出，点的亮度线性插值计算出，于是于是P点的亮度可以由点的亮度可以由A、B点的亮度点的亮度线性插值计算出。线性插值计算出。 562022-7-5n对多边形顶点颜色对多边形顶点颜色 进行双线性插进行双线性插值，获得多边形内部各点的颜色。值，获得多边形内部各点的颜色。 22211212121212AAAAAyyIIyyyyIIIyyIIyyyy由可得31131313BBBBAPABBABAyyyyIIIyyyyxxxxIIIxxxx1313ABPABIIBPPII点的颜色由 ， 点的颜色， 线性插值得到， 点的颜色由 ， 点的

47、颜色 ， 线性插值得到：1212APPII点的颜色由， 点的颜色， 线性插值得到：572022-7-5n简单光照模型将光在物体间往复反射、折射引起简单光照模型将光在物体间往复反射、折射引起的照明效果简化为环境光形式的入射光，没有很的照明效果简化为环境光形式的入射光，没有很好的模拟光的折射、反射，没有特别考察物体间好的模拟光的折射、反射，没有特别考察物体间的相互照明影响，这使得简单光照模型在某些情的相互照明影响，这使得简单光照模型在某些情况下绘制效果并不理想。况下绘制效果并不理想。 n所以我们需要建立整体光照模型。所以我们需要建立整体光照模型。8.2.2 光线跟踪与辐射度方法介绍光线跟踪与辐射度

48、方法介绍 582022-7-5n Whitted特别考察了光在物体间往复反射、折射特别考察了光在物体间往复反射、折射引起的照明效果。引起的照明效果。Whitted认为物体表面向空间某认为物体表面向空间某方向方向V辐射的光亮度辐射的光亮度I由三部分组成：由三部分组成：ttsscIKIKIIuIc 为简单光照模型计算结果为简单光照模型计算结果;uIs 为其它物体反射光为其它物体反射光;uIt 为透射光为透射光;uKs 为物体表面的镜面反射系数为物体表面的镜面反射系数;uKt 为物体表面的透射系数。为物体表面的透射系数。592022-7-5光源光源物体表面物体表面 光线跟踪过程光线跟踪过程光线传播的

49、逆过程光线传播的逆过程物体表面物体表面人眼人眼602022-7-5光线跟踪技术是光线跟踪技术是Whitted由光线投射技术发展的。由光线投射技术发展的。原理：从视点向每个像素中心发出一条光线（视线），它与场原理：从视点向每个像素中心发出一条光线（视线），它与场景中的一些物体表面相交，最近的交点即为可见点，像素的景中的一些物体表面相交，最近的交点即为可见点，像素的亮度即由该可见点的亮度决定。亮度即由该可见点的亮度决定。递归过程递归过程ttsscIKIKIIc612022-7-5递归过程的终止条件递归过程的终止条件：q光线不与场景中的任何物体相交；光线不与场景中的任何物体相交；q被跟踪的光线达到了

50、给定的层次；被跟踪的光线达到了给定的层次；q预先设定一个阈值，当被跟踪的光线对像素的亮度贡预先设定一个阈值，当被跟踪的光线对像素的亮度贡献小于这个阈值时，停止跟踪。献小于这个阈值时，停止跟踪。光线跟踪算法光线跟踪算法：设置视点、投影平面以及窗口的参数；设置视点、投影平面以及窗口的参数；for（窗口内每一条扫描线）（窗口内每一条扫描线） for（扫描线上的每一个像素）（扫描线上的每一个像素） 确定从视点指向像素中心的光线确定从视点指向像素中心的光线ray； 像素的颜色像素的颜色=RayTracing(ray, 1);622022-7-5/* 计算并返回当前扫描线计算并返回当前扫描线ray的颜色，