局部光照模型和光透射模型.pdf

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1、局部光照模型 一、 什么是局部光照模型? n 简单光照模型是一个比较粗糙的经验模型，不足之处 ：镜面反射项与物体表面的材质无关。 n 从光电学知识和物体微平面假设出发，介绍镜面反射 与物体材质有关的普遍局部光照模型。 n 局部光照模型：仅处理光源直接照射物体表面的光 照模型。 二、局部光照模型 n 自然光反射率系数可用Fresnel公式计算 + + + = )(sin )(sin )( )( 2 1 2 2 2 2 tg tg 是入射角，若发生反射的物体表面两侧折射率分别为 和，那么满足这样的一个式子： 1 n 2 n sinsin 2 1 n n = n 反射率与折射率有关，是波长的函数 )

2、,( 二、局部光照模型 宏观上看，这是一个平面，法向朝上。实际上它是由许 多微小平面构成的，微小平面的法向是各异的。 n 微观情况下，物体表面粗糙不平。 N 微平面示意图微平面示意图 二、局部光照模型 n 反射率计算 微平面是理想镜面，反射率可用Fresnel公式计算，而 粗糙表面的反射率与表面的粗糙度有关。 实际物体反射率： D为微平面法向的分布函数 G为由于微平面的相互遮挡或屏蔽而使光产生的 衰减因子 ),(GD 二、局部光照模型 2 )/(ma keD = )(HN n mmm m n 22 2 2 1 + = L Torrance和Sparrow采用Gauss分布函数模拟法向分布： l

3、k为常系数 la为微平面的法向与平均法向的夹角，即 lm为微平面斜率的均方根，表示表面的粗糙程度 也可采用Berkmann分布函数 二、局部光照模型 衰减因子G在局部光照明模型中也可以反映物体表面的 粗糙程度。 衰减因子是由于微平面的相互遮挡或屏蔽而产生的 微平面相互遮挡的光衰减因子G，有三种情况： LH V G1 L H V )( )(2 HV VNHN Gm = L H V )( )(2 HV LNHN Gs = sm GGG, 1Min= 二、局部光照模型 Cook和Torrance于1981年提出了局部光照模型。 表示物体对入射光的反射率系数 bd R i r bd E I R= 反射

4、光的光强 单位时间内单位面积上的入射光能量 r I i E 二、局部光照模型 入射光能量,可用入射光的光强和单位面积向光 源所张的立体角表示为: 于是有反射光光强： i E i I d dLNIdIE iii )(cos= dLNIRI ibdr )(= d ds cosds N 二、局部光照模型 反射率系数可表示为漫反射率与镜面反射率的代数和： ssddbd RKRKR+= 1=+ sd KK 漫反射与镜面反射系数 物体表面的漫反射率： )( dd RR= 物体表面的镜面反射率：)( ),( VNLN DG Rs = 二、局部光照模型 局部光照模型表示 l物体表面反射光强 l表示环境光的影响

5、 l最后一项是考虑了物体表面性质后的反射光 强度量，是该局部光照模型的复杂性与普遍 性所在。 )()( ssddiaar RKRKdLNIKII+= r I aaK I 简单简单与与局部局部模模型比较型比较 简单光照模型简单光照模型(Phong)局部光照模型局部光照模型 三、局部光照模型的优点：三、局部光照模型的优点： 相对于简单光照模型而言 l基于入射光能量导出的光辐射模型 l反映表面的粗糙度对反射光强的影响 l高光颜色与材料的物理性质有关 l改进入射角很大时的失真现象 l考虑了物体材质的影响，可以模拟磨光的金属光泽 光透射模型 一、 为什么考虑光透射模型? n 适用于场景中有透明或者半透明

6、的物体的光照处理。 n 早期用颜色调和法进行模拟。 n 简单和局部光照模型没有考虑光的透射现象。 二、 光透射模型 n 颜色调和法 不考虑透明体对光的折射以及透明物体本身的厚 度，光通过物体表面是不会改变方向的，可以模拟 平面玻璃。 I = t*Ib+(1- t)*Ia 1980年Whitted提出了第一个整体光照模型，并给出了一般 光线跟踪算法的范例，综合考虑了光的反射、折射、透射和 阴影等。被认为是计算机图形领域的一个里程碑。 2003年Whitted当选为美国工程院院士。 三、Whitted 光透射模型 n 1980年由Whitted提出，因此命名。 在简单光照明模型的基础上，加上透 射光项就得到Whitted光透射模型： 再加上镜面反射光项，就得到Whitted 整体光照模型： ()() tt n spdpaa KIVRKINLKIKII+= ()() sstt n spdpaa KIKIVRKINLKIKII+= N V I s It Ip