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1、可见面判断算法第1页，本讲稿共76页光照模型(1/6)第2页，本讲稿共76页光照模型(2/6)来自光源和周围环境的入射光来自光源和周围环境的入射光 照在物体表面上时，可能被照在物体表面上时，可能被n吸收吸收吸收的入射光能转化为热能吸收的入射光能转化为热能n反射反射n透射透射不仅取决于景物表面的不仅取决于景物表面的表面特性表面特性还取决于入射光能的光源的还取决于入射光能的光源的照明特性照明特性第3页，本讲稿共76页光照模型(3/6)表面特性表面特性n景物表面的景物表面的材料材料反射系数反射系数决定入射光中有多少光线被反射决定入射光中有多少光线被反射透明性透明性决定有多少光线从物体后面透射过来决定

2、有多少光线从物体后面透射过来反反射射光光和和透透射射光光的的光光谱谱分分布布决决定定了了景景物物表表面面呈呈现现的的颜颜色色反射光和透射光的强弱反射光和透射光的强弱决定了景物表面的明暗程度决定了景物表面的明暗程度n景物表面的景物表面的朝向朝向n景物表面景物表面与光源的相对位置与光源的相对位置第4页，本讲稿共76页光照模型(4/6)l照明特性照明特性l光源的性质光源的性质l几何性质：点光源、线光源、面光源、体光源几何性质：点光源、线光源、面光源、体光源l色彩（光谱分布）色彩（光谱分布）l强度强度l方向方向l点光源点光源l向周围辐射等强度的光向周围辐射等强度的光第5页，本讲稿共76页光照模型(5/

3、6)局部光照模型局部光照模型n只考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果只考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果n景物表面通常被假定为不透明，均匀反射率景物表面通常被假定为不透明，均匀反射率整体光照模型整体光照模型n考虑周围环境对景物表面的影响考虑周围环境对景物表面的影响n不仅能模拟不仅能模拟连续的明暗色调、镜面高光、阴影连续的明暗色调、镜面高光、阴影n还能模拟还能模拟镜镜面面映映像像、光光的的折折射射、相相邻邻景景物物表表面面之之间间的的色色彩彩辉辉映映等等较较为为复复杂杂精精致致的效果的效果第6页，本讲稿共76页光照模型(6/6)l基本光照模型l环境光模型环境光模型lLambert漫

4、反射模型漫反射模型 l镜面反射和镜面反射和Phong模型模型 第7页，本讲稿共76页环境光模型(1/4)ambient light也称背景光也称背景光，或泛光泛光n从周围环境的各个方向投射来的光从周围环境的各个方向投射来的光n没有空间或方向上的特征没有空间或方向上的特征n均匀地照射在物体的各个不同的表面上均匀地照射在物体的各个不同的表面上n等量地向各个方向反射等量地向各个方向反射分布光源分布光源精确模拟很耗时精确模拟很耗时第8页，本讲稿共76页环境光模型(2/4)近似模拟的环境光模型近似模拟的环境光模型9第9页，本讲稿共76页环境光模型(3/4)特点特点n物体表面对环境光反射的强度物体表面对环

5、境光反射的强度n与与无关无关入射光的入射光的入射方向入射方向观察者的观察者的观察方向观察方向物体物体表面的朝向表面的朝向n仅与仅与有关有关环境光强度环境光强度物体表面对环境光的物体表面对环境光的反射系数反射系数（材质属性）（材质属性）第10页，本讲稿共76页环境光模型(4/4)缺点缺点n物体各个面具有同样的亮度物体各个面具有同样的亮度只能为景物表面产生一个平淡的明暗效果只能为景物表面产生一个平淡的明暗效果观察者很难辨别景物各个面的层次观察者很难辨别景物各个面的层次n不真实，不实用不真实，不实用绘制三维场景时很少仅考虑环境光的作用绘制三维场景时很少仅考虑环境光的作用通常至少要用一个点光源来照射物

6、体通常至少要用一个点光源来照射物体n在调试阶段可节省不必要的明暗度计算在调试阶段可节省不必要的明暗度计算调试变换、投影、求交、消隐程序调试变换、投影、求交、消隐程序第11页，本讲稿共76页漫反射模型(1/3)diffuse reflectionn可看成光穿过物体表面层被部分可看成光穿过物体表面层被部分吸收后重新发射吸收后重新发射出来的光出来的光n自然界中的绝大多数景物为自然界中的绝大多数景物为理想漫反射体理想漫反射体粗糙、无光泽表面，如纸张、石灰粉刷的白墙等粗糙、无光泽表面，如纸张、石灰粉刷的白墙等第12页，本讲稿共76页漫反射模型(2/3)Lambert余弦定律余弦定律n理想漫反射体理想漫反

7、射体在点光源照射下的光的反射规律在点光源照射下的光的反射规律n漫反射光强度漫反射光强度同入射光与物体表面法向之间夹角的余同入射光与物体表面法向之间夹角的余弦成正比弦成正比 景物表面在被照射点处的漫反射光的光强景物表面在被照射点处的漫反射光的光强第13页，本讲稿共76页漫反射模型(3/3)特点：l对光线沿各个方向作同等光强的散射l各点反射光的强度只与有关l点光源强度、入射角l物体表面的反射系数l物体各面的朝向l而与无关l观察者的观察位置第14页，本讲稿共76页镜面反射模型（1/9）Specular Reflectionn是物体外表面对入射光的直接反射直接反射非漫反射体n有光泽的表面，如光滑的塑料

8、、擦亮的金属等高光高光区域nhigh lightn物体表面越光滑，高光区越小，越亮第15页，本讲稿共76页理想的反射体（纯镜面）理想的反射体（纯镜面）n入射光严格遵循光的反射定律单向地反射出去一般光滑表面一般光滑表面n在微观上物体表面面元是由许多朝向不同的微小平面组成n其镜面反射光分布于物面镜面反射方向的周围 理想镜面反射LNPRVLNPR粗糙表面的镜面反射一般光滑表面镜面反射LNPR镜面反射模型（2/9）第16页，本讲稿共76页镜面反射模型（3/9）镜面反射光特点n空间分布具有一定方向性空间分布具有一定方向性n光强不仅取决于入射光和表面材料，还与观察方向与观察方向有关有关n具有与入射光相同的

9、性质具有与入射光相同的性质LNPR镜面反射第17页，本讲稿共76页镜面反射模型（4/9）1973年，Phong Bui Tuong（博士论文）提出Phong镜面反射模型n简称Phong模型n计算镜面反射光光强的经验公式第18页，本讲稿共76页镜面反射模型（5/9）Phong模型采用余弦函数的幂次模拟一般光滑表面的镜面反射光光强的空间分布第19页，本讲稿共76页镜面反射模型（6/9）镜面高光指数镜面高光指数用于模拟镜面反射光在空间的会聚程度由物体表面材质的光滑程度决定第20页，本讲稿共76页镜面反射模型（7/9）镜面高光指数镜面高光指数较光滑的物体表面（如金属、玻璃等）光强的空间分布较集中，高光

10、范围较小宜取较大的值（大于100或更大）粗糙的物体表面（如纸张、木材、粉笔等）光强的空间分布较分散，高光范围较大宜取较小的值（小于或接近于1）第21页，本讲稿共76页镜面反射模型（8/9）Phong光照明模型光照明模型为计算方便，镜面高光分量可改写成为计算方便，镜面高光分量可改写成 漫反射分量漫反射分量 泛光泛光镜面高光分量镜面高光分量 Li NRiViiiPHi第22页，本讲稿共76页真实感图形学中提出的第一个有影响的光照明模型存在问题存在问题n显示出的物体（如塑料）没有质感n环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光n镜面反射的颜色是光源颜色，与物体的材料无关n镜面反射的计算在入射角很大时

11、会产生失真镜面反射模型（9/9）第23页，本讲稿共76页简单透明模型（1/5）透明物体n如玻璃杯、花瓶、水n不但会反射光，还会透射光透射光n可通过它看到它背后的物体折射的几何定律折射的几何定律nSnell定理 折射的几何定律示意图入射光线表面法线反射光线透射光线交界面媒质1媒质2第24页，本讲稿共76页简单透明模型（2/5）折射对视觉产生的影响折射对视觉产生的影响 n折射导致光的传播方向发生改变n会影响到物体的可见性 折射现象对视觉产生的影响ab123434第25页，本讲稿共76页简单透明模型（3/5）精确模拟折射现象n需要大量计算，很费时简单透明模型简单透明模型n不考虑折射的影响n假设各物体

12、间的折射率不变n折射角总是等于入射角好处好处n加速了光强度的计算n对较薄的多边形表面也可生成合理的透明效果第26页，本讲稿共76页简单透明模型（4/5）简单透明模型简单透明模型nNewell和Sanche提出 不考虑折射的简单的透明模型透明物体I1I2第27页，本讲稿共76页简单透明模型（5/5）若第二个物体表面也是透明面n上述算法可以递归地进行下去n直到遇到一个不透明面或背景时为止 适应性适应性n线性近似算法不适用于曲面物体n因为在曲面的侧影轮廓线上，材料的厚度减少了透明度第28页，本讲稿共76页多边形表示的明暗处理（1/7）问题的提出问题的提出n用多边形网格来逼近和表示曲面时用多边形网格来

13、逼近和表示曲面时n曲面光照效果就呈现不连续的光亮度跳跃变化曲面光照效果就呈现不连续的光亮度跳跃变化 解决方法解决方法n用尽可能小的多边形来逼近和表示曲面，使光照效果中存在用尽可能小的多边形来逼近和表示曲面，使光照效果中存在的不连续的光亮度跳跃变化小于人类视觉的分辨率的不连续的光亮度跳跃变化小于人类视觉的分辨率n Gouraud明暗处理明暗处理 n Phong明暗处理明暗处理 第29页，本讲稿共76页 Gouraud明暗处理明暗处理n多边形内部各点颜色的获得多边形内部各点颜色的获得对顶点颜色双线性插值对顶点颜色双线性插值亮度双线性插值扫描线x231ypab4多边形表示的明暗处理（2/7）第30页

14、，本讲稿共76页 Gouraud明暗处理步骤明暗处理步骤对多边形网格中的每一个多边形：对多边形网格中的每一个多边形：1）计算多边形的单位法矢量；）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；）计算多边形顶点的单位法矢量；3）利用光照模型计算顶点的颜色；）利用光照模型计算顶点的颜色；4）在扫描线消隐算法中）在扫描线消隐算法中 对对多边形顶点颜色多边形顶点颜色进行进行双线性插值双线性插值 获得位于多边形内扫描线上各点的颜色获得位于多边形内扫描线上各点的颜色多边形表示的明暗处理（3/7）第31页，本讲稿共76页优点优点n简单易行简单易行缺点缺点n只适用于简单的漫反射光照模型只适用于简单的

15、漫反射光照模型n线性光强度插值引起的线性光强度插值引起的Mach-band效应效应多边形表示的明暗处理（4/7）第32页，本讲稿共76页 Phong明暗处理明暗处理n多边形内部各点法矢量的获得多边形内部各点法矢量的获得对顶点法矢量双线性插值对顶点法矢量双线性插值多边形表示的明暗处理（5/7）第33页，本讲稿共76页Phong明暗处理明暗处理步骤步骤 1）计算多边形的单位法矢量；）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；）计算多边形顶点的单位法矢量；3）在扫描线消隐算法中）在扫描线消隐算法中 对对多边形顶点法矢量多边形顶点法矢量进行进行双线性插值双线性插值 获得位于多边形内的扫描

16、线上各点的法矢量；获得位于多边形内的扫描线上各点的法矢量；4）利用光照模型计算各点的颜色）利用光照模型计算各点的颜色多边形表示的明暗处理（6/7）第34页，本讲稿共76页优点优点n绘制的图形比绘制的图形比Gouraud方法更真实方法更真实 缺点缺点n计算量远大于计算量远大于Gouraud方法方法 多边形表示的明暗处理（7/7）第35页，本讲稿共76页半色调技术（1/15）Halftonen在在光强等级范围较小的输出设备光强等级范围较小的输出设备上输出图像上输出图像n将多灰度级图像数据转换成能反映其灰度变化将多灰度级图像数据转换成能反映其灰度变化的黑白二值图像的黑白二值图像n通过将多个像素单元组

17、合起来表示一种强度值通过将多个像素单元组合起来表示一种强度值目的目的n获得较多的灰度等级数目获得较多的灰度等级数目 n提高图像的视觉分辨率提高图像的视觉分辨率 第36页，本讲稿共76页半色调技术（2/15）原理原理n基于生理现象基于生理现象n当我们观察一个包含几个像素的小区域时当我们观察一个包含几个像素的小区域时n眼睛通过取整或将细节取平均而得到一个总体的灰度效果眼睛通过取整或将细节取平均而得到一个总体的灰度效果输出设备（打印机）输出设备（打印机）n利用这种视觉效果来再现多灰度级图像利用这种视觉效果来再现多灰度级图像n半色调图像半色调图像应用应用n色染、纺织、彩色打印、印刷等领域色染、纺织、彩

18、色打印、印刷等领域第37页，本讲稿共76页半色调技术（3/15）模式单元法模式单元法nhalftone patternsn用用矩形区域中像素的不同排列模式矩形区域中像素的不同排列模式来代表不同来代表不同的像素灰度等级的像素灰度等级n用用点的稀密程度点的稀密程度来表现明暗来表现明暗第38页，本讲稿共76页半色调技术（4/15）可显示的灰度等级数目取决于可显示的灰度等级数目取决于n矩形模式单元中所包含的像素数目矩形模式单元中所包含的像素数目n系统能显示的等级数目系统能显示的等级数目n在二级灰度系统中，若每个单元中包含在二级灰度系统中，若每个单元中包含n n个像素，则可表示个像素，则可表示n2+1种

19、灰度等级。种灰度等级。二级灰度系统中表示5个灰度等级的22像素网格灰级0灰级1灰级2灰级3灰级4二级灰度系统中表示10个灰度等级的33像素网格灰级0灰级1灰级2灰级3灰级4灰级7灰级8灰级6灰级9灰级5第39页，本讲稿共76页半色调技术（5/15）设置像素模式的原则设置像素模式的原则 n从中心向外扩展从中心向外扩展 n不使用水平或垂直的点列不使用水平或垂直的点列 n避免分散、孤立避免分散、孤立 不好的设置模式(a)(b)(c)(d)(e)第40页，本讲稿共76页半色调技术（6/15）缺点缺点n图像视觉分辨率的改善以牺牲图像的空间分辨图像视觉分辨率的改善以牺牲图像的空间分辨率为代价率为代价n只有

20、在图像分辨率低于输出设备分辨率时，这只有在图像分辨率低于输出设备分辨率时，这种结果才是可以接受的种结果才是可以接受的 第41页，本讲稿共76页半色调技术（7/15）抖动抖动nDitheringn在在不降低图像空间分辨率不降低图像空间分辨率的情况下的情况下n提高图像的视觉分辨率提高图像的视觉分辨率 两类两类n模式抖动模式抖动（pattern dithering）n误差扩散误差扩散（error diffusion）第42页，本讲稿共76页半色调技术（8/15）模式抖动模式抖动n以固定模式的抖动噪音添加于像素之上以柔化以固定模式的抖动噪音添加于像素之上以柔化其灰度运算其灰度运算n在图像中引入一个随机

21、误差，在每一像素的灰在图像中引入一个随机误差，在每一像素的灰度与所选阈值比较之前，将这一误差加到该像度与所选阈值比较之前，将这一误差加到该像素的灰度值上素的灰度值上 第43页，本讲稿共76页半色调技术（9/15）有序抖动矩阵方法有序抖动矩阵方法 nJarvis提出提出n将误差模式看成一个矩阵将误差模式看成一个矩阵n被称为抖动矩阵被称为抖动矩阵抖动矩阵的构造抖动矩阵的构造n矩阵中的相邻元素的值相差越大越好矩阵中的相邻元素的值相差越大越好n矩阵中每个元素的值之出现一次矩阵中每个元素的值之出现一次 第44页，本讲稿共76页半色调技术（10/15）n n抖动矩阵抖动矩阵n再现再现n2个灰度等级个灰度等

22、级递归生成递归生成第45页，本讲稿共76页半色调技术（11/15）Jarvis抖动处理步骤抖动处理步骤n把原位图的个像素的灰度值变换到把原位图的个像素的灰度值变换到0,n2范围范围内内n将误差模式以重复的棋盘格式加到图像中将误差模式以重复的棋盘格式加到图像中将图像中每个像素的灰度值将图像中每个像素的灰度值I(x,y)与一个抖动矩阵中与一个抖动矩阵中的相应元素的相应元素D(i,j)进行比较进行比较以决定显示的灰度值以决定显示的灰度值第46页，本讲稿共76页半色调技术（12/15）优点优点n速度快速度快n随着随着n的增加，图像不丢失它的空间分辨率的增加，图像不丢失它的空间分辨率缺点缺点n处理效果不

23、好，处理效果不好，赝象赝象（artifact）第47页，本讲稿共76页半色调技术（13/15）误差扩散的原理误差扩散的原理n从单个像素的角度来理解从单个像素的角度来理解n将一个给定像素的灰度值与显示像素灰度值之将一个给定像素的灰度值与显示像素灰度值之间的误差分散到当前像素的右方或下方的像素间的误差分散到当前像素的右方或下方的像素中去中去 第48页，本讲稿共76页半色调技术（14/15）Floyd-Steinberg filter Floyd-Steinberg filter的误差扩散3/165/161/167/16x只需一次扫描即可将全部像素点亮第49页，本讲稿共76页半色调技术半色调技术（1

24、5/15）优点优点n处理的效果好，不会产生赝象处理的效果好，不会产生赝象缺点缺点n处理速度慢处理速度慢第50页，本讲稿共76页表面纹理细节模拟（1/2）简单光照明模型的缺陷简单光照明模型的缺陷n只能模拟只能模拟光滑景物表面光滑景物表面只考虑了表面法向的变化只考虑了表面法向的变化假设表面反射系数为一常数假设表面反射系数为一常数 第51页，本讲稿共76页表面纹理细节模拟（2/2）纹理分类纹理分类 n纹理定义域纹理定义域 二维纹理二维纹理三维纹理三维纹理 n纹理的表现形式纹理的表现形式 颜色纹理颜色纹理n呈现在物体表面上的各种花纹、图案和文字等呈现在物体表面上的各种花纹、图案和文字等 几何纹理几何纹

25、理n基于景物表面微观几何形状的表面纹理基于景物表面微观几何形状的表面纹理 过程纹理过程纹理n表现各种规则或不规则的动态变化的自然景象表现各种规则或不规则的动态变化的自然景象 第52页，本讲稿共76页颜色纹理（1/8）颜色纹理颜色纹理n基于二维纹理映射（二维纹理映射（texture mapping）技术）技术生成 定义方法定义方法 n连续法连续法用数学函数解析地表达，函数的定义域就是纹理空间用数学函数解析地表达，函数的定义域就是纹理空间n离散法离散法用各种数字化图像来离散定义用各种数字化图像来离散定义纹理空间坐标系中表示光亮度值的一个矩形数组纹理空间坐标系中表示光亮度值的一个矩形数组n程序生成程

26、序生成n扫描输入扫描输入n通过交互式系统绘制得到通过交互式系统绘制得到第53页，本讲稿共76页颜色纹理（2/8）棋盘方格纹理棋盘方格纹理粗布纹理粗布纹理A为0,1上的随机变量，p,q为频率系数第54页，本讲稿共76页颜色纹理（3/8）二维纹理映射的基本原理二维纹理映射的基本原理n确定景物表面上任一可见点确定景物表面上任一可见点P P在纹理空间中的对应位置在纹理空间中的对应位置(u,v(u,v)n用用(u,v)处所定义的纹理值或颜色值处所定义的纹理值或颜色值作为作为P P点的反射系数点的反射系数n或用或用(u,v)处所定义的纹理值或颜色值处所定义的纹理值或颜色值对反射系数调制对反射系数调制达到对

27、物体原来的表面亮度或颜色值进行混合的效果达到对物体原来的表面亮度或颜色值进行混合的效果n按照光照模型计算出按照光照模型计算出P点的亮度或颜色值点的亮度或颜色值第55页，本讲稿共76页纹理映射的构造纹理映射的构造 从数学的观点来看，映射从数学的观点来看，映射M可用下式描述可用下式描述 (u,v)=F(x,y,z)(u,v)TextureSpace 颜色纹理（4/8）第56页，本讲稿共76页参数曲面参数曲面 (x,y,z)=F(u,v)定义了二维参数空间到三维物体空间的映射关系定义了二维参数空间到三维物体空间的映射关系 当当将参数空间和纹理空间等同将参数空间和纹理空间等同（两者之间关系由一仿射变换

28、确定）（两者之间关系由一仿射变换确定）起来时，起来时，若若 F 可逆可逆，则纹理映射关系等价于参数曲面自身定义的逆映射则纹理映射关系等价于参数曲面自身定义的逆映射 (u,v)=F-1(x,y,z)对复杂的高次参数曲面，其逆映射一般无法解析表达！对复杂的高次参数曲面，其逆映射一般无法解析表达！一般采用数值求解技术来离散求得一般采用数值求解技术来离散求得颜色纹理（5/8）第57页，本讲稿共76页例：例：高为高为 h，半径为，半径为 r 的圆柱面可用下面的参数形式来表达的圆柱面可用下面的参数形式来表达 xr cos yr sin ，zh 若若通通过过下下述述线线性性变变换换将将纹纹理理空空间间0,1

29、0,1与与参参数数空空间间0,20,1等同起来等同起来 u=/2 =则则由由该该圆圆柱柱面面的的参参数数表表达达式式，容容易易得得到到从从景景物物空空间间到到纹纹理理空空间间的的纹理映射表达式纹理映射表达式颜色纹理（6/8）第58页，本讲稿共76页纹理空间纹理空间参数空间参数空间景物空间景物空间颜色纹理（7/8）第59页，本讲稿共76页颜色纹理（8/8）缺陷缺陷：n只能在只能在光滑表面光滑表面上描绘各种事先定义的花纹图案上描绘各种事先定义的花纹图案n不能表现由于不能表现由于表面的微观几何形状凹凸不平表面的微观几何形状凹凸不平而呈而呈现出来的粗糙质感现出来的粗糙质感第60页，本讲稿共76页几何纹

30、理（1/4）凹凸纹理凹凸纹理nbump mapping n1978年，Blinn提出第61页，本讲稿共76页几何纹理（2/4）法向扰动法法向扰动法n对景物表面各采样点位置作微小的扰动对景物表面各采样点位置作微小的扰动改变表面的微观几何形状改变表面的微观几何形状引起景物表面引起景物表面法向量的扰动法向量的扰动n景物表面光亮度是法向量的函数景物表面光亮度是法向量的函数法向量的扰动导致法向量的扰动导致表面光亮度的突变表面光亮度的突变产生表面凹凸不平的真实效果产生表面凹凸不平的真实效果难点难点n扰动函数扰动函数的选取的选取第62页，本讲稿共76页 设景物表面由下述参数方程来定义：设景物表面由下述参数方

31、程来定义：Q=Q(u,v)在在景景物物表表面面每每一一采采样样点点处处沿沿其其法法向向附附加加一一微微小小增增量量，从从而而生成一张新的表面，它可表示为：生成一张新的表面，它可表示为：Q(u,v)=Q(u,v)+(u,v)N几何纹理（3/4）第63页，本讲稿共76页扰动后的法向量扰动后的法向量 N=N+D=N+Pu A Pv B几何纹理（4/4）第64页，本讲稿共76页过程纹理(1/6)Procedure Texture Mapping用过程式方法用过程式方法n将纹理空间中的值映射到物体表面将纹理空间中的值映射到物体表面n生成生成三维纹理三维纹理 第65页，本讲稿共76页过程纹理(2/6)木纹

32、函数木纹函数n采用一组采用一组共轴圆柱面共轴圆柱面来定义来定义n位于相邻圆柱面之间的点的纹理函数值位于相邻圆柱面之间的点的纹理函数值交替地取为交替地取为“明明”和和“暗暗”n景物内任意一点的纹理函数值景物内任意一点的纹理函数值根据它到圆柱轴线所经过的面个数的奇偶性而取为根据它到圆柱轴线所经过的面个数的奇偶性而取为“明明”和和“暗暗”nPeachey引入三个操作来避免规范引入三个操作来避免规范扰动扰动（perturbing）扭曲扭曲（twisting）倾斜倾斜（tilting）。第66页，本讲稿共76页过程纹理(3/6)涡流函数涡流函数nturbulencenPerlin于于1985年提出年提出

33、n近似描述湍流现象的经验模型近似描述湍流现象的经验模型n用一系列用一系列三维噪声函数的叠加三维噪声函数的叠加来构造来构造n应用于大理石、火焰以及云彩等自然纹理的模拟应用于大理石、火焰以及云彩等自然纹理的模拟 第67页，本讲稿共76页过程纹理(4/6)用用turbulence函数模拟纹理的步骤函数模拟纹理的步骤n利用基本函数形式表示纹理的基本特征利用基本函数形式表示纹理的基本特征n用用turbulence函数来扰动函数来扰动上述函数的一些参数，上述函数的一些参数，以加入各种高阶纹理细节以加入各种高阶纹理细节第68页，本讲稿共76页Fourier合成技术合成技术n将一系列不同频率、相位的正弦（或余

34、弦）波迭加将一系列不同频率、相位的正弦（或余弦）波迭加起来产生所需的纹理模式起来产生所需的纹理模式既可在空间域中合成，亦可在频率域中合成既可在空间域中合成，亦可在频率域中合成n成功用于模拟水波、云彩、山脉和森林等自然景象成功用于模拟水波、云彩、山脉和森林等自然景象过程纹理(5/6)第69页，本讲稿共76页过程纹理(6/6)第70页，本讲稿共76页光线跟踪原理(1/6)光线投射（光线投射（Ray Casting）n被跟踪的光线仅从每个像素到离它最近的景物为止；被跟踪的光线仅从每个像素到离它最近的景物为止；光线跟踪光线跟踪（Ray-trace）nAppel在在1968年提出年提出 n通过跟踪多条从

35、视点发出的光线在场景中的路径，以得通过跟踪多条从视点发出的光线在场景中的路径，以得到多个景物表面所产生的反射和折射影响；到多个景物表面所产生的反射和折射影响；n是光线投射算法的延伸。是光线投射算法的延伸。第71页，本讲稿共76页光线跟踪原理(2/6)主要思想主要思想n沿着沿着到达视点的光线的相反方向到达视点的光线的相反方向跟踪跟踪n经过屏幕上每一象素经过屏幕上每一象素n找出与视线所交的物体表面点找出与视线所交的物体表面点P0n继续跟踪，找出影响继续跟踪，找出影响P0点光强的所有的光源点光强的所有的光源n算出算出P0点上精确的光照强度点上精确的光照强度 n重复上述光线跟踪过程，直到满足下述任一条

36、件时为止：重复上述光线跟踪过程，直到满足下述任一条件时为止：光线与光源相交；光线与背景相交；被跟踪的光线对首交点处的光亮度贡献趋近于0。第72页，本讲稿共76页光线跟踪原理(3/6)上述光线跟踪过程可以用上述光线跟踪过程可以用一棵二叉树（称为一棵二叉树（称为光线树光线树）来表示）来表示 光线跟踪算法的原理示意图PP1PrPtItIe I观察者光线投影面上的像素位置RzNVT Pt Pr P1ABCP(a)光线跟踪过程示意图(b)光线树示意图第73页，本讲稿共76页光线跟踪原理(4/6)第74页，本讲稿共76页光线跟踪原理(5/6)第75页，本讲稿共76页光线跟踪原理(6/6)优点优点n能模拟环境的镜面反射、规则透射以及透明体能模拟环境的镜面反射、规则透射以及透明体阴影等复杂精致的光照效果。阴影等复杂精致的光照效果。缺点：缺点：n不能模拟环境的镜面反射和透射光引起的漫反不能模拟环境的镜面反射和透射光引起的漫反射效果射效果n要生成一棵庞大的光线树而耗时很多，而且容要生成一棵庞大的光线树而耗时很多，而且容易引起图形的细节丢失等反走样现象易引起图形的细节丢失等反走样现象第76页，本讲稿共76页