第八章真实感图形绘制.ppt

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1、第八章真实感图形绘制12021/2/23简单光照明模型 光照射到物体外表，主要发生：光照射到物体外表，主要发生：反射反射透射对透明物体透射对透明物体部分被吸收成热能部分被吸收成热能反射光，透射光决定了物体所呈现的颜色反射光，透射光决定了物体所呈现的颜色22021/2/23简单光照明模型 假定物体是不透明的即无透射光假定物体是不透明的即无透射光环境光：在空间中近似均匀分布，即在任何环境光：在空间中近似均匀分布，即在任何位置、任何方向上强度一样位置、任何方向上强度一样,记为记为Ia环境光反射系数环境光反射系数Ka：在分布均匀的环境光：在分布均匀的环境光照射下，不同物体外表所呈现的亮度未必照射下，不

2、同物体外表所呈现的亮度未必一样，因为它们的环境光反射系数不同。一样，因为它们的环境光反射系数不同。光照明方程仅含环境光：光照明方程仅含环境光：Ie =KaIa Ie为物体外表所呈现的亮度。为物体外表所呈现的亮度。32021/2/23简单光照明模型n点光源的照射：照在物体的不同部分其亮度也不同，亮度Ip的大小依赖于物体的朝向及它与点光源之间的间隔.n n漫反射(diffuse reflection):粗糙、无光泽的外表对光的反射n朗伯余弦定律：Id=IpKd cos an漫反射光的强度只与入射角有关n光照明方程含环境光与漫反射光nI=Ie+Id=IaKa+IpKd cos a42021/2/23

3、52021/2/23简单光照明模型n镜面反射：镜面反射：n 光滑外表，光滑外表，“高光效果；理想反射面与高光效果；理想反射面与非理想反射面非理想反射面nPhong 模型模型n光照明方程光照明方程n62021/2/2372021/2/2382021/2/23简单光照明模型n光的衰减光的衰减n 两个阶段：两个阶段：1从光源到物体外表的从光源到物体外表的过程中的衰减过程中的衰减n 2从物体外表到人眼过从物体外表到人眼过程中的衰减程中的衰减n 总的效果：物体外表的亮度降低总的效果：物体外表的亮度降低n光照明方程光照明方程n 1有效衰减函数的参加有效衰减函数的参加n2深度暗示技术的参加深度暗示技术的参加

4、92021/2/23102021/2/23简单光照明模型n彩色场景的产生n 1选择一个适宜的颜色模型n 2为颜色的三个分量分别建立光照明方程n光照明方程n固定颜色光的光照明方程n任意颜色光的光照明方程n多光源照射的光照明方程112021/2/23简单光照明模型n最根本的光照模型是Phong模型，它首次使光源和视点的位置可以任意选定。Phong 模型表达式如下：122021/2/23nPhong 模型假设反射光线集中在反射方向模型假设反射光线集中在反射方向(反反射角等于入射角的方向射角等于入射角的方向)附近，并随着与反射附近，并随着与反射方向夹角的增大，反射光急剧减弱。用方向夹角的增大，反射光急

5、剧减弱。用Phong模型计算所得的物体象塑料，镜面反射光是光模型计算所得的物体象塑料，镜面反射光是光源的颜色，不能反映物体外表的材料特性，而源的颜色，不能反映物体外表的材料特性，而且镜面反射在入射角很大时有失真。这个模型且镜面反射在入射角很大时有失真。这个模型模拟的反射效果不理想，用它生成的图形缺乏模拟的反射效果不理想，用它生成的图形缺乏质感。质感。132021/2/23多边形绘制方法n分类：均匀着色与光滑着色n均匀着色n所适用场景：1光源在无穷远处；n2视点在无穷远处；n3多边形是物体外表的准确表示；n光滑着色，亦称插值着色nGouraud着色方法n Phong着色方法142021/2/23

6、多边形绘制方法n Gouraud着色方法着色方法 n 通过对多边形顶点颜色进展线性插值来通过对多边形顶点颜色进展线性插值来获得其内部各点颜色，又称颜色插值着色方获得其内部各点颜色，又称颜色插值着色方法。法。n对多边形网络中的每一个多边形，对多边形网络中的每一个多边形，其着色步骤如下：其着色步骤如下：n1计算多边形的单位法矢量；计算多边形的单位法矢量；n 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；n3利用光照明方程计算顶点的颜色；利用光照明方程计算顶点的颜色；n4在扫描线消隐算法中，对多边形顶点在扫描线消隐算法中，对多边形顶点颜色进展双线性插值，获得多边形内部位颜色进展双线性插值

7、，获得多边形内部位于多边形内的扫描线上各点的颜色。于多边形内的扫描线上各点的颜色。152021/2/23多边形绘制方法n Phong着色方法n通过对多边形顶点的法矢量进展线性插值来获得其内部各点的法矢量，又称法向插值着色方法。n 步骤如下：n1计算多边形的单位法矢量；n 2计算多边形顶点的单位法矢量；n3在扫描线消隐算法中，对多边形顶点的法矢量进展双线性插值，获得多边形内部位于多边形内的扫描线上各点的法矢量；n4利用光照明方程计算各点的颜色。162021/2/23光照模型光照模型-明暗的光滑处理明暗的光滑处理 PhongPhong光照明模型示意彩图光照明模型示意彩图172021/2/23多边形

8、绘制方法n两方法的比较n1Phong着色方法计算量远大于Gouraud着色方法 n 2 Phong着色方法绘制的图形比Gouraud方法更真实n 表达在两个场合：高光区域的扩散n 不产生高光区域n插值着色方法存在的问题n 182021/2/23光照模型光照模型-明暗的光滑处理明暗的光滑处理 图中上面的牛多边形网格模型用Phong模型绘制下面的同一个模型用增量式光照明模型绘制192021/2/23光线跟踪光线跟踪-光线跟踪的根本原理光线跟踪的根本原理 光线跟踪光线跟踪Ray-traceRay-trace是一种真实感地显示物体的方法，该方是一种真实感地显示物体的方法，该方法由法由AppelAppe

9、l在在19681968年提出年提出1111。光线跟踪方法沿着到达视点的光线的。光线跟踪方法沿着到达视点的光线的相反方向跟踪，经过屏幕上每一象素，找出与视线所交的物体外表相反方向跟踪，经过屏幕上每一象素，找出与视线所交的物体外表点点 P0 P0，并继续跟踪，找出影响，并继续跟踪，找出影响P0P0点光强的所有的光源，从而算出点光强的所有的光源，从而算出P0P0点上准确的光照强度。点上准确的光照强度。202021/2/237.4 7.4 光线跟踪光线跟踪-光线跟踪的根本原理光线跟踪的根本原理用光线跟踪方法显示真实感图形有如下优点：用光线跟踪方法显示真实感图形有如下优点：1 1显示它不仅考虑到光源的光

10、照，而且考虑到场景中各物体之间彼显示它不仅考虑到光源的光照，而且考虑到场景中各物体之间彼此反射的影响，因此显示效果非常逼真。此反射的影响，因此显示效果非常逼真。2 2有消隐功能有消隐功能采用光线跟踪方法，在显示的同时，自然完成消隐功能。而且，事采用光线跟踪方法，在显示的同时，自然完成消隐功能。而且，事先消隐的做法也不适用光线跟踪，因为那些反面和被遮挡的面，虽先消隐的做法也不适用光线跟踪，因为那些反面和被遮挡的面，虽然看不见，但仍能通过反射或透射影响着看得见的面上的光强。然看不见，但仍能通过反射或透射影响着看得见的面上的光强。3 3有影子效果有影子效果光线跟踪能完成影子的显示，方法是从光线跟踪能

11、完成影子的显示，方法是从P0P0处向光源发射一根阴影探处向光源发射一根阴影探测光线。假如该光线在到达光源之前与场景中任一不透明的面相交，测光线。假如该光线在到达光源之前与场景中任一不透明的面相交，那么那么P0P0处于阴影之中，否那么，处于阴影之中，否那么，P0P0处于阴影之外。处于阴影之外。4 4该算法具有并行性质该算法具有并行性质每条光线的处理过程一样，结果彼此独立，因此可以大并行处理的每条光线的处理过程一样，结果彼此独立，因此可以大并行处理的硬件上快速实现光线跟踪算法。硬件上快速实现光线跟踪算法。光线跟踪算法的缺点是计算量非常大，因此，显示速度极慢。光线跟踪算法的缺点是计算量非常大，因此，

12、显示速度极慢。212021/2/237.4 7.4 光线跟踪光线跟踪-光线跟踪的根本原理光线跟踪的根本原理222021/2/23透明n简单透明与带有折射的透明n产生简单透明效果的方法插值透明方法过滤透明方法232021/2/23 简单光照明模型亦称部分光照明模型，其假定物体是不透明的，只考虑光源的直接照射，而将光再物体之间的传播效果笼统地模拟为环境光。而整体光照明模型那么不然，它考虑了物体之间的互相影响以产生整体照明效果242021/2/23整体光照明模型物体之间的互相影响通过光线在其间的漫反射、镜面反射、透射产生。光线跟踪方法辐射度方法252021/2/23PHONE光照模型n最根本的光照模

13、型是Phong模型，它首次使光源和视点的位置可以任意选定。262021/2/23nPhong 模型假设反射光线集中在反射方向(反射角等于入射角的方向)附近，并随着与反射方向夹角的增大，反射光急剧减弱。用Phong模型计算所得的物体象塑料，镜面反射光是光源的颜色，不能反映物体外表的材料特性，而且镜面反射在入射角很大时有失真。n这个模型模拟的反射效果不理想，用它生成的图形缺乏质感。272021/2/23n1982 年年Cook和和Torrance提出了一个基于物理提出了一个基于物理光学的外表反射模型光学的外表反射模型CookTorrance 模模型，使得模型中反射光的位置和分布与实际情型，使得模型

14、中反射光的位置和分布与实际情况非常接近，因此用它绘制的图形具有很好的况非常接近，因此用它绘制的图形具有很好的质感。质感。CookTorrance模型的表达式如下：模型的表达式如下：282021/2/23292021/2/23n利用上述光照模型，可以计算出场景中各物体每一点的颜色。该颜色只与直接光源、物体的材料及该点的法向量有关，与它周围的物体还没有建立联络，这样的光照模型被称为部分光照模型。但现实世界里的大多数物体都具有明显的反光特性(因此我们的眼睛才能感觉到它们的存在)，有些物体还具有透明特性，一个物体的反射光和透射光也会对其它物体产生明显的影响。光线跟踪算法和辐射度算法较好地解决了这方面的

15、问题，它们被称为全局光照模型。其中光线跟踪算法解决了物体之间的镜面反射和透射的影响，能产生镜像、透明和阴影等效果，但对漫反射处理缺乏，辐射度算法正好解决了这一缺乏，它从能量的角度出发，很好地模拟了物体之间的漫反射。302021/2/23外表与纹理n从光照模型公式可以看出，物体的漫反射系数、镜面从光照模型公式可以看出，物体的漫反射系数、镜面反射系数和透明系数等物理量与物体所表现的颜色直反射系数和透明系数等物理量与物体所表现的颜色直接相关。这些物理量是真实感图形绘制中常用的材质接相关。这些物理量是真实感图形绘制中常用的材质参数，通常在建模的时候就定义好，并存储在相应的参数，通常在建模的时候就定义好

16、，并存储在相应的数据构造中。材质参数是影响质感的重要参数，随意数据构造中。材质参数是影响质感的重要参数，随意给定的参数很难做到自然和真实。实际计算时应根据给定的参数很难做到自然和真实。实际计算时应根据实际材料的测量结果进展设定，假设没有现成的测量实际材料的测量结果进展设定，假设没有现成的测量结果，那么应根据图形效果对参数反复修正，以到达结果，那么应根据图形效果对参数反复修正，以到达较好的效果。但是假设一个根本物体只指定一种简单较好的效果。但是假设一个根本物体只指定一种简单的材质，当然不能模拟自然界中精巧的花纹和图案，的材质，当然不能模拟自然界中精巧的花纹和图案，图形的逼真程度同样会受到很大的限

17、制。图形的逼真程度同样会受到很大的限制。312021/2/23n纹理映射技术成功地解决了这一问题，通过定纹理映射技术成功地解决了这一问题，通过定义纹理与物体之间的映射关系，可以合成真实义纹理与物体之间的映射关系，可以合成真实感图形外表的花纹、图案和细微构造。纹理映感图形外表的花纹、图案和细微构造。纹理映射大致可分为两类：一类用于改变物体外表的射大致可分为两类：一类用于改变物体外表的图案和颜色；一类用来改变物体外表的法向量图案和颜色；一类用来改变物体外表的法向量以产生凹凸不平的效果。另外，也有人将通过以产生凹凸不平的效果。另外，也有人将通过扰动函数来改变反射系数和透射系数的技术归扰动函数来改变反

18、射系数和透射系数的技术归类为纹理映射，并分别称作反射纹理和透射纹类为纹理映射，并分别称作反射纹理和透射纹理。理。322021/2/23外表细节模拟光滑外表简单光照明模型模拟细节外表复杂光照明模型模拟颜色纹理与几何纹理外表细节多边形：模拟简单、规那么的颜色纹理纹理映射：模拟精致、复杂的颜色纹理纹理来源：1数字图像；2数学公式定义的纹理函数法向扰动法：模拟凹凸不平的物体外表，多用于产生几何纹理。难度在于 扰动函数的选取。332021/2/23外表图案与纹理外表图案与纹理-外表图案的描绘外表图案的描绘外表图案外表图案Surface PatternsSurface Patterns的描绘，是指将一张平

19、面图案的描绘，是指将一张平面图案(pattern)(pattern)描绘到物体外表上去并进展三维明暗真实感显示的过程。描绘到物体外表上去并进展三维明暗真实感显示的过程。物体外表有图案，意味着物体外表的各点呈现不同的色彩和不同的物体外表有图案，意味着物体外表的各点呈现不同的色彩和不同的亮度，而这是由物体外表的反射或透射系数决定的。因此，在物体亮度，而这是由物体外表的反射或透射系数决定的。因此，在物体外表绘上图案，也就是改变物体外表有关部分的反射或透射系数。外表绘上图案，也就是改变物体外表有关部分的反射或透射系数。将一幅平面图案描绘到物体外表上去的过程为：将一幅平面图案描绘到物体外表上去的过程为：

20、将平面图案上的各点将平面图案上的各点x,y x,y 映射到物体外表上的各点映射到物体外表上的各点x,y,zx,y,z.根据式根据式7-5-17-5-1求出求出x,y,zx,y,z处新的反射系数。处新的反射系数。用光照模型计算物体外表用光照模型计算物体外表x,y,zx,y,z的色彩明暗。的色彩明暗。Rr(x,y,z)=K R(x,y)Rr(x,y,z)=K R(x,y)Rg(x,y,z)=K G(x,y)Rg(x,y,z)=K G(x,y)Rb(x,y,z)=K B(x,y)(8-5-1)Rb(x,y,z)=K B(x,y)(8-5-1)设平面图案中的任意点设平面图案中的任意点P P x,y x

21、,y 的色彩为的色彩为C,C C,C 由三个分量由三个分量组成；组成；C Cx,y x,y=(R(x,y),G(x,y),B(x,y)=(R(x,y),G(x,y),B(x,y)342021/2/23外表图案与纹理外表图案与纹理-外表图案的描绘外表图案的描绘352021/2/23外表图案与纹理外表图案与纹理-外表纹理的描绘外表纹理的描绘和外表图案不同，外表纹理和外表图案不同，外表纹理TextureTexture的描绘用于表示细微的凹凸的描绘用于表示细微的凹凸不平的物体外表，如布纹、植物和水果的表皮等等。由于将这种细不平的物体外表，如布纹、植物和水果的表皮等等。由于将这种细微的外表凹凸表达为数据

22、构造既很困难，又无必要通常只是为了微的外表凹凸表达为数据构造既很困难，又无必要通常只是为了逼真的视觉效果，因此通常用一种特殊的算法来模拟它，将纹理逼真的视觉效果，因此通常用一种特殊的算法来模拟它，将纹理逼真地显示出来，满足感官的需要。逼真地显示出来，满足感官的需要。BlinnBlinn在在19781978年提出用扰动物体外表法线方向的方法以模拟外表凹凸年提出用扰动物体外表法线方向的方法以模拟外表凹凸纹理的真实感显示效果。该方法是对原外表上的法线方向，附加一纹理的真实感显示效果。该方法是对原外表上的法线方向，附加一个扰动函数。该函数使得原来法线方向的光滑而缓慢的变化方式变个扰动函数。该函数使得原

23、来法线方向的光滑而缓慢的变化方式变得剧烈而短促，通过光照与显示形成了外表的凹凸粗糙的显示效果。得剧烈而短促，通过光照与显示形成了外表的凹凸粗糙的显示效果。362021/2/237.5 7.5 外表图案与纹理外表图案与纹理-外表纹理的描绘外表纹理的描绘372021/2/23n纹理映射技术成功地解决了这一问题，通过定义纹理与物体之间的映射关系，可以合成真实感图形外表的花纹、图案和细微构造。纹理映射大致可分为两类：一类用于改变物体外表的图案和颜色；一类用来改变物体外表的法向量以产生凹凸不平的效果。另外，也有人将通过扰动函数来改变反射系数和透射系数的技术归类为纹理映射，并分别称作反射纹理和透射纹理。3

24、82021/2/23n外表颜色纹理是图形学中最常用的纹理之一，它通常用一个二维数组存放一幅数字化图象，用插值法来构造各点的纹理值。在进展图象纹理映射时，映射区域一般是一个三维空间上的平面或曲面，确定纹理图象和映射区域之间的对应关系是纹理映射的一个根本问题。对于平面来说，可将其旋转至与某个坐标平面重合，这样就成了一个二维平面，于是容易与图象域建立对应关系。对于空间曲面，一般用其二维参数域与纹理域对应。392021/2/23402021/2/23用体纹理构造和绘制的树林的光线跟踪绘制效果图用体纹理构造和绘制的树林的光线跟踪绘制效果图412021/2/23422021/2/23风吹草地的效果图风吹草地的效果图432021/2/23