计算机图形学第九章.ppt

第九章真实感图形生成技术了解真实感图形绘制的基本原理。了解并掌握绘制真实感图形时常用的多边形明暗处理的方法。难点：1.如何使用简单光照模型？了解并掌握简单光照模型的组成及应用。如何绘制真实感图形？本章重点9.1引言真实感图形的绘制是计算机图形学的一个重要组成部分，它综合利用了数学、物理学、计算机科学和其它科学知识，在计算机图形设备上生成象彩色照片那样的真实感图形。一.真实感图形的生成步骤★初始数据的输入★图形变换★消隐和裁剪★辉度计算根据基于光学物理的光照模型，计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和色彩分量，并将它转换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影面上每一象素的颜色，最终生成图形。二.颜色三基色原理三基色的条件是：这三种颜色中任意二种的组合都不能产生第三种颜色，这三种基本颜色就称之为三基色。最常用的三基色是红色(Red)、绿色(Green)、蓝色(Blue)。由配色实验可知，标准白光的配色方程为：F白＝1[R]＋1[G]＋1[B]任意彩色光的配色方程为：F＝R[R]＋G[G]＋B[B]其中，[R]、[G]、[B]分别为红基色单位、绿基色单位和蓝基色单位，R、G、B分别表示合成颜色F时所需红、绿、蓝三刺激值的大小。物体上某一种颜色的明暗程度(辉度)需采用光照模型进行计算。简单的光照模型仅考虑光源照射到物体表面产生的反射光，所生成的图形可以模拟出不透明物体表面的明暗程度，具有一定的真实感。01复杂的光照模型除了考虑上述因素之外，还要考虑周围环境光对物体表面的影响。它可以模拟出镜面映象、透明、纹理等，可使绘制的图形更逼真。02三.光照模型当光照射到物体表面上时，会出现三种情况：光可以通过物体表面向空间反射，产生反射光。对于透明体，光可以穿透该物体并从另一端射出，产生透射光。部分光将被物体表面吸收而转换成热。上述三部分中，仅仅是反射光和透射光能够进入人眼产生视觉效果。9.2简单光照模型物体表面的反射光和透射光的强弱决定了物体表面的明暗程度，而这些光中所含不同波长光的比例则决定了物体表面的色彩。一般我们假定入射光均为白光。假设物体不透明，那么物体表面呈现的颜色仅由其反射光决定。通常，反射光由三个分量组成，分别是环境反射、漫反射和镜面反射。环境反射分量是假设入射光均匀地从周围环境入射至物体表面，并等量地向各个方向反射出去，因此也可以看成是一种漫反射光，且只占一般漫反射光的很小一部分。一.漫反射分量表示特定光源在物体表面产生的反射光中，那些向空间各个方向均匀反射出去的光，这种反射光的计算可以使用朗伯余弦定律：对于一个漫反射体，其表面的反射光亮度和光源入射角(入射光线与表面法向量的夹角)的余弦成正比。即：I漫＝IpdCOSθ其中I漫为表面反射光亮度Ipd为光线垂直入射时反射光亮度θ为光线入射角朗伯余弦定律说明了当观察一个漫反射体时，人眼接收到的光亮度和观察者的位置无关。光源Ipdθ由于物体表面除受特定光源照射外，还受到从周围环境来的反射光的照射，这些环境光的照明效果，可以采用环境反射分量予以模拟。由于假定环境反射分量基于均匀入射的漫射光，因此可以用一常数来表示。则I漫＝Ipa＋IpdCOSθIpa为环境反射分量，一般取（0.02－0.2)Ipd。对于许多物体，如石灰粉刷的白墙，纸张等，使用上式计算其反射光亮度是可行的。但对于某些物体,如擦亮的金属，光滑的塑料等，受光照射后会表现出特有的光泽，如一个点光源照射一个金属球时会在球面形成一块特别亮的区域，呈现所谓的“高光”。这实质是光源在金属球面上产生的镜面反射光。二.镜面反射为朝一定方向的反射光，它遵守光的反射定律，反射光和入射光对称地位于表面法向的二侧。实用时，常采用余弦函数的幂次来模拟一般光滑表面的镜面反射光的空间分布：I镜＝IpsCOSnα其中：I镜为观察者接收到的镜面反射光亮度Ip