gjlchp10真实感图形绘制.ppt

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1、2021/1/16 浙江大学计算机图形学 1 第十章 真实感图形绘制 简单光照明模型 多边形绘制方法 透明 整体光照明模型 光线跟踪算法 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 2 第十章 真实感图形绘制 光照模型 (Illumination Model):计算某 一点的光强度的模型 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 3 真实感图形的 特点 能反映物体表面颜色和亮度的细微变化 能表现物体表面的质感 能通过光照下的物体阴影，极大地改善场景的 深度感和层次感，充分体现物体间的相互遮挡 关系 能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜面 效果 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 4 影响

2、观察者看到的表面颜色的因素 物体的几何形状 光源 位置、距离、颜色、数量、强度、种类 环境 遮挡关系、光的反射与折射 、 阴影 视点位置 物性 材料、颜色、透明度 折射性 表面光洁度 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 5 光源 几何性质 点光源 线光源 面光源 光谱组成 白色光等能量的各种波长可见光的组合 彩色光 单色光 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 6 真实感图形学早期发展 1967年， Wylie等人第一次在显示物体时 加进光照效果，认为光强与距离成反比。 1970年， Bouknight提出第一个光反射模 型： Lambert漫反射环境光 1971年， Gouraud

3、提出漫反射模型加插 值的思想 1975年， Phong提出图形学中第一个有 影响的光照明模型 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 7 相关物理知识 光的传播 反射定律：入射角等于反射角，而且反射光 线、入射光线与法向量在同一平面上 光源 法向量 入射光 反射光 视线 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 8 折射定律 折射定律：折射线在入射线与法线构成的平 面上，折射角与入射角满足 入射光 折射光 2 1 1 2 s in s in 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 9 能量关系 在光的反射和折射现象中的能量分布： 下标为 i,d,s,t,v的能量项分别表示 为入射光 强，漫

4、反射光强，镜面反射光强，透射光强， 吸收光强 能量是守恒的 i d s t vI I I I I 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 10 简单光照明模型 模拟物体表面的光照明物理现象的数学 模型光照明模型 简单光照明模型 亦称局部光照明模型， 其假定物体是不透明的，只考虑光源的 直接照射，而将光在物体之间的传播效 果笼统地模拟为环境光。 可以处理物体之间光照的相互作用的模 型称为整体光照明模型 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 11 简单光照明模型 光照射到物体表面，主要发生： 反射 透射（对透明物体） 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 2021/1/1

5、6 浙江大学计算机图形学 12 简单光照明模型 -环境光 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，即在任何位置、 任何方向上强度一样 ,记为 Ia 环境光反射系数 Ka： 在分布均匀的环境光照射 下，不同物体表面所呈现的亮度未必相同，因为它们 的环境光反射系数不同。 光照明方程（仅含环境光）： Ie = KaIa Ie为物体表面所呈现的亮度。 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 13 简单光照明模型 - 环境光例子 具有不同环境光反射系数的两个球 0.1aI 4.0aK 8.0aK 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 14 简单光照明模型 -环境光 缺点：

6、虽然不同的物体具有不同的亮度， 但是同一物体的表面的亮度是一个恒定 的值，没有明暗的自然过度。 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 15 简单光照明模型 考虑引入点光源。 点光源：几何形状为一个点，位于空间中的某 个位置，向周围所有的方向上辐射等强度的光。 记其亮度为 Ip 点光源的照射： 在物体的不同部分其亮度也不 同，亮度的大小依赖于物体的朝向及它与点光源之间 的距离 . 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 16 简单光照明模型： -漫反射 角度 余弦的推导 漫反射 粗糙、无光泽物体（如粉笔）表面对光的反射 光照明方程 漫反射的亮度 点光源的亮度 漫反射系数 入射角 漫反射光的

7、强度 只与入射角有关 2,0c os dpd KII pI dK dI 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 17 简单光照明模型 -漫反射 将环境光与漫反射结合起来 一般取 Ia = (0.020.2)Id 例子 )( NLKIKIIII dpaade 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 18 简单光照明模型 -漫反射 缺点：对于许多物体，使用上式计算其反 射光是可行的，但对于大多数的物体， 如擦亮的金属、光滑的塑料等是不适用 的，原因是这些物体还会产生镜面发射。 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 19 简单光照明模型 -镜面反射 镜面反射 光滑物体（如金属或塑料）表面对光

8、的反射 高光 入射光在光滑物体表面形成的特别亮的区域 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 20 简单光照明模型 -镜面反射 理想镜面反射 观察者只能在反射方向上才能看到反射 光，偏离了该方向则看不到任何光。 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 21 简单光照明模型 -镜面反射 非理想镜面反射 P为物体表面上一点， L为从 P指向光源的单位 矢量， N为单位法矢量， R为反射单位矢量， V 为从 P指向视点的单位矢量 光滑平面 I = Ip K scosna 镜面 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 22 简单光照明模型 -镜面反射 镜面反射 Is为 镜面反射光强。 点光源的亮

9、度 Ks是与物体有关的镜面反射系数。 n为 镜面反射指数， n 越大，则 Is随 a的增大衰减的越快。 n的取值与表面粗糙程度有关。 n越大，表面越平滑（散射现象少，稍一偏离，明 暗亮度急剧下降） n越小，表面越毛糙（散射现象严重） ansps KII c o s nsps RVKII )( 或 pI 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 23 简单光照明模型 -镜面反射 反射方向计算 L在 N上的投影矢量为 Ncosu，则 S+L= Ncosu 记矢量 S= Ncosu -L 则有 R= Ncosu +S LLNNLNR 2c o s2 N R L V S S 2021/1/16 浙江大

10、学计算机图形学 24 简单光照明模型 -Phong光照明模型 简单光照明模型模拟物体表面对光的反 射作用 ,光源为点光源 反射作用分为 物体间作用用环境光 (Ambient Light) 漫反射 (Diffuse Reflection) 镜面反射 (Specular Reflection) 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 25 简单光照明模型 -Phong光照明模型 Phong光照明模型的综合表述：由物体表 面上一点 P反射到视点的光强 I为环境光 的反射光强 Ie、理想漫反射光强 Id、和镜 面反射光 Is的总和。 )()( nsdpaa sde RVKNLKIKI IIII 20

11、21/1/16 浙江大学计算机图形学 26 简单光照明模型 -Phong光照明模 型的实现 对物体表面上的每个点 P，均需计算光线 的反射方向。为了减少计算量，假设： 光源在无穷远处， L为常向量 视点在无穷远处， V为常向量 （ HN）近似（ RV）， H为 L与 V的平分向量 N H L R a V b H-L和 V的角平分线 对所有的点总共 只需计算一次 H的 值，节省了计算 时间 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 27 简单光照明模型 -Phong光照明模型 Phong模型几何 P L N H R V 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 28 简单光照明模型 -光的衰减

12、光的衰减 两个阶段： 1）从光源到物体表面的过程中的衰减 2）从物体表面到人眼过程中的衰减 总的效果：物体表面的亮度降低 光照明方程 1）有效衰减函数的加入 2）深度暗示技术的加入 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 29 简单光照明模型 -光的衰减 光的衰减 光在光源到物体表面过程中的衰减 光强按 1/d2 进行衰减： 缺点：当 d很大时，变化很小；当 d很小时， 变化很大。 衰减函数 光照明方程 )1,1m i n ()( 2 210 dcdcc df )()()( nsdpaa RVKNLKIdfKII 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 30 简单光照明模型 -光的衰减 光

13、在物体表面到人眼过程中的衰减 深度暗示（ Depth Cueing）技术：最初用于线 框图形的显示，使距离远的点比近的点暗一些。 经过改进，这种技术同样适用于真实感图形显示。 设前参考面 Z=Zf，后参考面 Z=Zb；其比例因子 分别为 Sf和 Sb（ Sf和 Sb e0,1）。给定物体上一 点的深度值 Z0，该点对 应的比例因子 S0按如下 方式确定 前参考面 后参考面 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 31 简单光照明模型 -光的衰减 当 Z0 Zf时，取 S0=Sf 当 Z0 t,即 ti。如果入射角不断增大，到 一定的程度，折射角 t 90度，此时透射 光线沿着平行于分界面的方

14、向传播，称 此时的 i为临界角度，记为 c 。当 i c 时，发生全反射，透射与反射光合二为 一。 如何产生带有折射的透明效果呢？ 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 67 光透射模型的研究 早期简单透射现象的模拟 1980年， Whitted光透射模型，首次考虑 了光线的折射现象 1983年，在 Whitted的基础上， Hall光透 射模型，考虑了漫透射和规则透射光 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 68 整体光照明模型 简单光照模型（亦称局部光照模型）不考 虑周围环境对当前景物表面的光照明影 响，忽略了光在环境景物之间的传递， 很难表现自然界复杂场景的高质量真实 感图形。为

15、了增加图形的真实感，必须 考虑环境的漫射、镜面反射和规则投射 对景物表面产生的整体照明效果。 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 69 整体光照明模型 物体表面入射光的构成 （ 1）光源直接照射 （ 2）其它物体的反射光 （ 3）透射光 局部光照明模型仅考虑了（ 1） 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 70 整体光照明模型 例如：从视点观察到的物体 A表 面的亮度来源于三方面的贡献： （ 1）光源直接照射到 A的表面，然 后被反射到人眼中的光产生的。 （ 2）光源或其它物体的光经 A物体 折射到人眼中的光产生的。 （ 3）物体 B的表面将光反射到物体 A的表面，再经物体 A的表面

16、反射 到人眼中产生的。 局部光照明模型仅考虑了（ 1） 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 71 Witted光照模型 Whitted光照模型基于如下假设： 物体表面向视点方向 V辐射的光亮度 I由三 部分组成： （ 1）光源直接照射引起的反射光亮度 Il。 （ 2）来自 V的镜面反射方向 R的其它物体反 射或折射来的光的亮度 Is。 （ 3）来自 V的透射方向 T的其它物体反射或 折射来的光的亮度 It 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 72 Witted光照模型 Witted光照模型： I= Il + Ks Is + KtIt 或 Is为镜面反射方向的入射光强度； Ks为镜面

17、 反射系数，为 0 1之间的一个常数 It为折射方向光强， Kt为透射系数，是 0 1之间的常数 Il的计算可采用 Phong模型 因此，关键是 Is和 It的计算。如何计算呢？ tttsssl ICKICKII 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 73 Witted光照模型 -反射、折射方向计算 已知视线方向 V，求其反射方向 R与折射 方向 T（ N是表面的法向方向 ） 视线 V的反射方向 R 折射方向 T N V R L T i i t i t VVNNR )(2 INT ti t i )c o sc o s( 令 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 74 光线跟踪算法的基本

18、原理 自然界中光线的传播过程 光源 物体表面 物体表面 人眼 光线跟踪过程 -光线传播的逆过程 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 75 光线跟踪算法的基本原理 从视点向每个 象素发出一 条光线，它与场景中的一 些物体表面相交，最近的 交点即为可见点，记为 P， 像素的亮度即由 P点的亮 度确定。由 Whitted光照 模型可知， P点的亮度由 三部分组成：其中 Il可以 直接由局部光照模型计算 得到。 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 76 光线跟踪算法的基本原理 为了求 Is和 It，从 P点发出反射光线和透射光线，它分别交场 景中的物体表面于 Ps和 Pt， Ps和 Pt点

19、的亮度即分别为 Is和 It ， 将它们求出代入 Whitted模型即可。但是， Is和 It同样由 Whitted模型确定，即 Whitted模型是一个递归式，从而计算 Is 和 It需要重复以上的计算过程 :计算局部光亮度、发出反射光 线与透射光线。可以用一棵光线树来表示 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 77 光线跟踪算法的基本原理 递归终止条件： 1、光线不与场景中的任何物体相交 2、被跟踪的光线达到了给定的层次 3、由于 Ks和 Kt都小于 1.0，当光线经过反射 和折射后，其亮度会衰减。因此可以预 先设置一个阈值，在进行光线跟踪时， 若被跟踪光线对像素亮度的贡献小于这 个阈

20、值，便停止跟踪。 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 78 光线跟踪算法 -算法描述 设置视点，投影平面以及窗口的参数； For （窗口内的每一条扫描线） for （扫描线上的每一个像素） 确定从视点指向像素中心的光线 ray； 像素的颜色 =RayTracing(ray,1)； 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 79 光线跟踪算法描述 Color RayTracing(Ray ray, int depth) 求 ray与物体表面最近的交点 P； if （有交点） 用局部光照明模型计算 P点的 Ic； color = Ic; if （ depth给定的最大跟踪层次） 计算 ray的反射光线； Is=RayTracing(反射光线， depth+1）； if （物体是透明的） 计算 ray的透射光线； It=RayTracing(透射光线， depth+1); color = Ic + Is + It ; else color = black； return color ; 2021/1/16 浙江大学计算机图形学 80 光线跟踪算法 优点： 能够方便的产生阴影，模拟镜面反射与 折射现象。 缺点： 计算量大，每一条光线都要与场景中的 物体进行求交、计算光照模型等。