计算机图形学视觉外观-浙江大学(精品·公开课件).ppt

Chapter 3. Visual Appearance视觉外观 金小刚 Email: jin@cad.zju.edu.cn 浙江大学CADCG国家重点实验室 简 介 “Light makes right” － Andrew Glassner 当绘制三维物体时，模型应不仅从从几何上看正确，而且应具有真实的视觉外观 实现方法：通过给表面设置材料、应用光源、加纹理、用雾、透明、反走样、合成等技术 光源（Light Sources） 人为何可以看见物体？光子从物体表面发出或反射到达观察者的眼睛。这些光子可以来自光源或其它物体。 这里主要讨论三类光源：(1). 方向（平行）光源 directional lights(2). 点光源 point lights (3). 聚光灯 spotlights 光源参数：亮度和颜色 一个光源可进一步细分为: ambient, diffuse, specular intensity 在现实世界中，光源会随距离的平方衰减 在实时绘制中，光源通常不随距离衰减。这样做的原因：(1). 容易控制（不必担心距离效应）(2). 计算速度快 材质（Material） 在实时绘制系统中，材质包含的参数：ambient, diffuse, specular, shininess (会聚指数), and emissive 物体的颜色最终由下面的参数决定：材质参数、照射表面的光源参数、光照模型 Lighting and Shading Lighting: 用来指定材质、光源和物体几何之间的相互作用。 Shading：是指执行光亮度计算并决定象素颜色的过程。 三种Shading类型：Flat，Gouraud，Phong对应于按每个多边形、顶点、象素计算光亮度 Flat Shading：为每个三角形计算一颜色，整个三角形以该颜色填充。 Gouraud Shading：先计算三角形每个顶点的光亮度，然后在三角形上插值光亮度 Phong Shading: 对于每个象素，根据多边形顶点的法向插值计算得到象素的法向，然后用该法向计算光亮度 Gouraud Shading的缺点 Gouraud Shading的其它缺点：丢失高光、丢失聚光灯效果、Mach带效应。部分解决方法：采用带有光照效果的纹理 Phong Shading可以避免上述缺陷，但算法复杂、计算量大。商用的大部分图形卡不支持。 在Gouraud Shading中，如果把三角形剖分成比象素还小，则Gouraud Shading可取得和Phong Shading一样的绘制效果。但需较大的速度代价。因而该思想很少在实时绘制系统实施。 顶点的照明采用光照模型（Lighting Model）计算。在实时绘制中，所有的光照模型都非常相似，主要分成三部分： ambient, diffuse, specular 实时绘制的光照模型通常不完全基于物理理论，但容易控制且结果基本可以接收。 大部分图形加速卡采用类似的光照明模型。 Vertex 和Pixel Shading支持程序员把自己的shader写入硬件。 Diffuse Component 基于Lambert 定律：对于理想的漫反射表面，其反射光由表面法向n和光矢量l的余弦决定： 漫反射与摄像机的位置和方向无关，即漫反射分量是View independent。 为了利用光源和物体的漫反射颜色，我们改造上述方程，得到漫反射贡献： 由于表面法向n和光矢量l的夹角大于900时，漫反射分量为0，得到 注：部分波长的光子会被材料吸收。例如，若 则 Specular Component 镜面反射主要使得物体看起来发亮(shiny)，有高光。高光帮助观察者了解问题的曲率，并判断光源的位置和方向。 假设表面点为p，v为p到观察者的矢量，r为光矢量对于法向n的反射矢量： 该公式称为Phong光照方程。镜面分量是view dependent 反射矢量r的计算： OpenGL和DirectX采用的光照方程 由Blinn提出的光照方程的另一形式 采用该方程的原因：不需要计算反射矢量，速度快 OpenGL和Direct3D采用的光照方程 若考虑物体的材质和光源的参数 当n和h的夹角大于900时，镜面反射分量为0，得到 其它镜面高光函数 Schlick的快速逼近方法（不需要指数） Blinn采用微面元（用来模拟粗糙表面）来模拟粗糙表面的自阴影。 与标准模型有很大差别的简单函数 其中T为阈值。如果max(n.h,0)大于T，则用1，否则用0作为乘子。该方程可模拟面光源在镜面上产生的反射效果。T用来控制高光斑的大小。 Ambient C