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第9章 真实感图形技术 知 识 点： 光照模型, 明暗处理, 光线跟踪, 纹理等真实感技术。 教学目的：使学生了解真实感图形生成的基 本原理和基本方法。 1 本章内容 9.1 概述 9.2 简单光照模型 9.3 多边形表示物体的光滑明暗处理 9.4 整体光照模型 9.5 光线跟踪技术 9.6 纹理 2 9.1 概述 ? 真实感图形 综合运用数学、物理学、计算机科学与其它科 学知识, 在计算机设备上生成象彩色照片那样 的真实感图形。 ? 真实感图形生成步骤 –用数学方法建立所需三维场景的几何描述, 并将它们输入计算机； –将三维几何描述转换为二维透视图； –确定场景中的所有可见图(消隐)； –计算场景中可见面的颜色。（本章重点） 3 ? 光强(Intensity of light)或称光亮度 既能表示光能大小又能表示其色彩组成的物理 量。一般表示为(R,G,B). ? 光照模型 即光强的计算公式。根据光学的有关定律计算 画面上景物表面各点投射到观察者眼中的光线 的光亮度的公式。 4 9.2 简单光照模型 9.2.1 基本原理 ? 光照射到物体上后分解为: 反射光、透射光、 被物体表面吸收转换成热。 其中反射光和透射光的强弱决定了物体表 面的明暗程度。(参见图9.1) ? 不同光源, 不同表面材料对 光亮度有很大影响。 图9.1 5 ? 简单光照模型(不考虑透射光, 仅有反射光) 而反射光又分成3个分量, 即： 反射光=环境反射+漫反射+镜面反射 ? 环境反射 物体除了受特定光源照射外,还受到周围环境 来的反射光照射。该分量用Ipa表示,取常数。 ? 漫反射 表示特定光源在景物表面的反射光中那些向空 间各方向均匀反射出去的光。 漫反射可使用朗伯定律计算。 6 ? 朗伯定律 对于一个漫反射体,表面的反射光亮度和光 源入射角的余弦成正比。 I=Ipdcosi I为表面反射光的光亮度； Ipd为光源垂直入射时反射光的光亮度； i为光源入射角(入射光角和表面法向夹角). （参见图9.2） 7 Ipd A I C B 图9.2 漫反射示意图 8 ? 镜面反射 对某些材质的物体,在光照射下出现“高光现 象”。镜面反射的计算一般遵守反射定律。 实际上, 光滑表面镜面反射光分布于表面镜 面反射方向的周围： n I=Ipscos θ Ips --镜面反射方向上镜面反射光亮度； θ--镜面反射方向和视线方向的夹角； n--会聚指数。 θ 光滑平面 9 图9.3 ? Phong模型 考虑反射光3个分量所建立的光照模型, 表示为： n I=kaIpa+Σ[kdIpdcosi+ksIpscos θ] ka, kd, ks分别为环境反射、漫反射和镜面反射分 量系数, 即材质系数(kd+ks=1), Σ表示对所有光源 求和。 ? 计算机实现时, 用R、G、B三分量计算, 表示为：