真实感图形1.ppt

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1、真实感图形真实感图形1 1主要内容l引言l光照明模型l多边形物体的明暗处理l光线跟踪算法l纹理映射l辐射度方法l实时绘制技术l非真实感图形绘制技术2主要内容l引言l光照明模型l多边形物体的明暗处理l光线跟踪算法l纹理映射l辐射度方法l实时绘制技术l非真实感图形绘制技术3引言l目标：让计算机生成如同照片般真实的图像l生成真实感图形的步骤l建立几何模型，确定景物表面的光照属性l进行取景变换，将物体投影到二维平面上l采用消隐算法剔除当前视点处不可见的场景表面l根据光照明模型，计算在可见场景表面的光亮度4主要内容l引言l光照明模型l多边形物体的明暗处理l光线跟踪算法l纹理映射l辐射度方法l实时绘制技术

2、l非真实感图形绘制技术5光照明模型l影响物体表面光照明效果的因素l光源l观察点位置l物体表面局部几何形状l表面朝向l材料属性l光照明模型考虑物体表面上每一个点所代表的微小面元受到来自光源或周围环境光线的照射而产生的反射或透射光亮度6光照明模型l最常用的四类光照明模型l泛光模型lLambert漫反射模型lPhong镜面反射模型lWhitted整体光照明模型7泛光模型l最简单的光照明模型l试图刻画周围环境反射光对物体表面照明贡献8泛光模型l假定环境反射光沿任何方向对任何物体表面入射的光亮度都相等，采用常量近似Ienv:物体表面对泛光的反射光亮度Ia:泛射光的入射光亮度Ka:物体表面对泛光的反射率9

3、泛光模型泛光模型的光照明效果（Utah Teapot）10l直接光源对物体表面的照射有方向性l物体表面的反射光分为：l漫反射光l镜面反射光l纯漫射表面只产生漫反射l示例：地面、树木Lambert漫反射模型11Lambert漫反射模型l漫反射光是物体表面对入射光线朝各个方向的均匀反射l大小只与入射光的光亮度和入射方向有关l与漫反射光的反射方向无关均匀反射的光线均匀反射的光线12Lambert漫反射模型l漫反射光亮度和光源入射角（入射光线和表面法向量的夹角）的余弦成正比Id:表面漫反射光的光亮度Kd:物体表面漫反射率Ie:发自光源的入射光的光亮度:光源入射角13Lambert漫反射模型lcos的计

4、算l快速计算平方根（光盘附带源程序）l的变化对Id的影响14Lambert漫反射模型lLambert光照模型I:景物表面的反射光亮度Ia:环境泛光入射光亮度，一般取值范围为0.02Ie0.2Ie15Lambert漫反射模型Lambert模型的光照明效果（Utah Teapot）16Phong模型l镜面高光示例17Phong模型l镜面反射光l一种朝向一定方向的反射光，它遵从光的反射定律18Phong模型lPhong采用余弦函数的幂次来模拟镜面反射光Is:物体表面镜面反射光亮度Ie:发自光源的入射光的光亮度:镜面反射方向和视线方向的夹角ks:表面的镜面反射率n:镜面反射光的会聚指数，又称“高光”指

5、数19Phong模型l镜面反射方向的计算20Phong模型l虚拟镜面法向H21Phong模型lPhong模型l综合了漫反射、镜面反射及泛光反射分量22Phong模型lPhong模型l多光源l矢量积形式23Phong模型Phong模型的光照明效果（Utah Teapot）24Whitted模型l局部光照明模型的局限l仅考虑从光源直接发出的光线对物体表面光亮度的贡献l没有考虑光线在物体之间的相互反射和透射lWhitted模型：整体光照明模型l可模拟现实世界中 景物表面之间的 镜面反射和透射 现象25Whitted模型l假设从某一观察方向V所观察到的物体表面某点P的光亮度的贡献来自于三个方面：l由光

6、源直接照射引起的反射光亮度Icl镜面反射光l规则透射光26Whitted模型镜面反射和规则透射示例照片：注意观察树枝在水面的倒影及在水中的折射效果27Whitted模型lWhitted整体光照明模型Ic：由光源直接照射在表面上引起的反射光亮度Is：沿V的镜面反射方向r入射到表面上的环境光在表面上产生的 镜面反射光It：沿V的规则透射方向t入射到表面上的环境光通过透射在表面 上产生的规则透射光ks：表面的镜面反射率kt：表面的透射率 28Whitted模型lWhitted模型的求解光线跟踪！Whitted T,An improved illumination model for shaded d

7、isplay,Communications of the ACM,1980,23(6):343-349.29光照明模型的进一步完善l从物体表面上的某一点朝某一特定方向反射的光线的光亮度通常可由一个各向异性函数(e.g.,BRDF)描述l相关参数l入射光线方向l物体表面法向l观察方向l30光照明模型的进一步完善l光照明模型分类l基于经验的简单光照明模型Phong模型l基于物理的光照明模型Blinn模型Cook-Torrence模型l双向反射率函数（BRDF）模型31光照明模型的进一步完善：图例Phong模型效果http:/www.labri.fr/perso/knoedel/cmsimple/i

8、mages/daimler/phong_1.jpg32光照明模型的进一步完善：图例Blinn模型效果http:/www.labri.fr/perso/knoedel/cmsimple/images/daimler/BlinnPhong_1.jpg33光照明模型的进一步完善：图例Cook-Torrence模型效果http:/http:/www.labri.fr/perso/knoedel/cmsimple/images/daimler/CookTorrance.jpg34光照明模型的进一步完善：图例采用BRDF模型绘制的茶壶35主要内容l引言l光照明模型l多边形物体的明暗处理l光线跟踪算法l纹理

9、映射l辐射度方法l实时绘制技术l非真实感图形绘制技术36多边形物体的明暗处理（Shading）l在计算机图形学中，场景中的许多物体都采用多边形表示l三类常用的明暗处理（Shading）方式lFlat ShadinglGouraud ShadinglPhong Shading37Flat Shadingl方法l依据局部光照明模型按每一个多边形的法向计算出一个颜色值Cl将C赋给该多边形在屏幕上的投影所覆盖的全体像素l优缺点l处理简单，计算量小l景物表面上相邻的多边形之间颜色差异较大，存在马赫带效应38Flat Shadingl示例39Gouraud Shadingl方法l为多边形物体的每一个顶点赋

10、一个法向量l利用局部光照明模型计算每一顶点处的光亮度l多边形内部各点处的光亮度值通过对多边形顶点处的光亮度的双线性插值得到40Gouraud Shadingl示例41Gouraud Shadingl又称光亮度插值明暗处理l优缺点l简单快速，所生成的图形在真实感上较Flat Shading有了较大的提高l马赫带效应依然存在l不能正确模拟高光42Phong Shadingl方法l为多边形物体的每一个顶点赋一个法向量l多边形内部各点处的法向量则通过对多边形顶点处法向量的双线性插值得到l利用Phong模型计算每一点的光亮度43Phong Shadingl示例44Phong Shadingl又称法向插值明暗处理l优缺点l能较好地模拟高光l相邻多边形之间的光亮度过渡更自然l计算量比Gouraud Shading要大得多45结束结束