计算机图形学 第3版 第8章 真实感图形的绘制.pptx

2024/10/11;第八章真实感图形的绘制; 用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感图形必须完成四个基本的任务。

第一用数学方法建立所构造三维场景的几何描述，并将它们输入至计算机。

第二将三维几何描述转换为二维透视图。

第三确定场景中的所有可见面，这需要使用隐藏面消除算法将被其它物体遮挡的不可见面消去。

第四计算场景中可见面的颜色，严格地说，就是根据基于光学物理的光照明模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和颜色组成，并将它转换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一象素的颜色，最终生成图形。; 在光栅图形系统上显示的三维图形的真实感取决于明暗模型。

明暗模型：指模拟明暗效应的模型，用以计算可见表面应该显示的亮度和彩色。

明暗模型并不需要精确地考虑真实世界中光线和表面的性质，而只需要在兼顾精确程度和计算成本的要求下，追求更好的显示效果。;明暗模型需要考虑的主要问题是照明特性、表面特性和观察角度。

照明特性：指可见表面被照明的情况，主要有光源的数目和性质，环境光及阴影效应等。

表面特性：指表面对入射光线的反射、折射或透明的不同情形，还有表面的纹理及颜色等。

观察角度：观察景物时观察者相对可见表面所在的位置。

不同明暗模型的区别：

模拟的方法，

实现的复杂程度，

显示效果等方面。; 明暗模型可以分解为三个部分，

散射照明

具体光源的照射

漫反射

镜面反射

透射效应

; 简单的光照模型仅考虑光源照射在物体表面产生的反射光。

复杂的光照明模型(整体光照模型)要考虑周围环境的光对物体表面的影响。

;第一节漫反射及具体光源的照明;2．漫反射

漫反射是指来自具体光源的能量到达表面上的某一点后，就均匀地向各个方向散射出去，使得观察者从不同角度观察时，这一点呈现的亮度是相同的。

通常不光滑的粗糙表面总是呈现出漫反射的效果。

Lambert定律指出，漫反射的效果与表面相对于光源的取向有关，即：

Id=Ip·Kd·cosθ

其中Id是漫反射引起的可见表面上一点的亮度。Ip是点光源发出的入射光线???起的亮度。Kd是漫反射系数，它的取值在0到1之间，随物体材料不同而不同。θ是可见表面法向N和点光源方向L之间的夹角，即入射角，它应该在0°到90°之间。; 为了简化公式中余弦值的实际计算，可以假定向量N和L都已经正规化，即已经是长度为1的单位向量，这样就可以使用向量的数量积或内积。

因为这时cosθ=L·N，于是得：

Id=Ip·Kd·(L·N)

将环境光线和漫反射的效果结合起来，计算亮度的公式应该写成：

I=Ia·Ka+Ip·Kd·(L·N); 通常认为具体光源对可见表面产生的照明作用，是随着光源与表面之间距离的增加而下降的。设R是光线从光源发出到达表面再返回的距离，则

I=Ia·Ka+Ip·Kd·(L·N)/R2

; 对于平行投影，光源在无穷远处，故距离R成为无穷大。对于透视投影，1/R2也常常有很大的数值范围而使效果不好。一种比较逼真的效果，可通过用r+k代替R2来获得：

I=Ia·Ka+Ip·Kd·(L·N)/(r+k)

其中r是光源到表面的距离，k是根据经验选取的一个常数。

;3.镜面反射与Phong模型

镜面反射是指来自具体光源的光能到达可见表面上的某一点后，主要沿着由射入角等于反射角所决定的方向传播，从而使得观察者从不同角度观察时，这一点呈现的亮度并不相同。

;(d)理想镜面反射方向与视线方向的夹角; 在镜面反射的示意图中，只有当观察者相对表面的方向V与反射光线的方向R之间的夹角α为零时，才能看到镜面反射引起的反射光线。对于不是非常理想的光泽表面，反射光线引起的亮度随着α的增大而迅速下降。; 由PhongBui-Tuong提出的光照明模型，用cosnα来近似反射光线引起的亮度随着α增大而下降的速率。n取值决定于反射表面的有关性质。对于理想的反射表面，n就是无穷大。这里选用cosnα，是以经验观察为基础的。

被镜面反射的入射光的数量是与入射角θ有关的。如果将镜面反射光的百分数记为W(θ)，那么就可以将计算表面亮度的公式修改而得到：; 假定反射光线的方向向量R和指向观察点的向量V都已经正规化，即已经是长度为1的单位向量，于是可以简单地利用向量内积计算余弦值：cosα=R·V。

对W(θ)，通常根据经验选取一个常数ks来代替，这样公式可写成下面更容易计算的形式：;Phong模型示例;Phong模型示例; 对于彩色表面，只需分别对各颜色分量进行计算。例如，选择通常的红、绿、蓝颜色系统，这时上述公式中有关亮