《线上线下混合式计算机图形学基础实验教程》课件_第10章.pptx

第10章光照计算;

10.1实验内容简述和实验目标

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完成本实验后，读者能够：

(1)熟记颜色模型(布鲁姆知识模型：记忆)；

(2)熟记和描述环境光模型、漫反射模型和Phong模型的原理和公式(布鲁姆知识模型：记忆和理解)；

(3)熟记和描述环境光模型、漫反射模型和Phong模型的优缺点以及适用范围(布鲁姆知识模型：记忆、理解、应用)；

(4)熟记、描述和使用Gouraud以及Phong明暗过渡(布鲁姆知识模型：记忆、理解和应用)；

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(5)找到模型网格面明暗过渡和高光效果存在的问题，并提出改进策略(布鲁姆知识模型：应用、分析)；

(6)结合OpenGL能实现环境光模型、漫反射模型、Phong模型、Gouraud明暗过渡以及Phong明暗过渡(布鲁姆知识模型：应用)。

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10.2直接光照计算

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1.关键代码实现

代码如下：

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2.案例效果

根据式(10.1)给加载的OBJ模型设置了环境光反射系数，并给场景设置了环境光，效果如图10-1所示。

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10.2.2漫反射光

当光线照射到比较粗糙的物体表面时，会形成漫反射。漫反射光的能量值近似服从Lambert定律，其计算公式如下：

(10.2)

其中：Ip表示入射光的能量值；Kd表示物体的表面漫反射率；L表示光源向量；N表示物体光照点处的法向量；L·N表示两向量的夹角(入射角)余弦值。

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定义light_rgb_diffuse_specular数组保存入射光的能量值；定义material_diffuse_rgb_reflection数组保存物体表面的漫反射系数；定义costheta保存L·N的值。

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1.关键代码实现

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2.案例效果

根据式(10.2)给OBJ模型设置漫反射系数，并给场景设置了点光源，最终效果如图10-2所示。

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10.2.3镜面反射光

光照射到相对光滑的物体表面往往会产生镜面反射，其特点是在光滑表面会产生高光区域，经验模型表达式如下：

(10.3)

其中：Ip表示入射光的能量值；Ks表示物体表面高光反射系数；R表示反射光向??；V表示视线方向的逆向量(表示光线从物体表面光照点进入眼睛的方向)；n表示高光指数，反映物体表面的光滑程度。

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与10.2.2小节的漫反射光类似，这里依旧使用数组light_rgb_diffuse_specular来保存入射光的能量值；定义material_specular_rgb_reflection数组来保存物体表面高光反射系数；定义cosalpha来保存R·V的值。

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1.关键代码实现

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2.案例效果

根据式(10.3)给OBJ模型设置镜面反射系数，并给场景设置了点光源，最终效果如图10-3所示。

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10.2.4Phong光照模型

在单一光源照射下，Phong光照模型为环境光、漫反射光和镜面反射光之和，其表达式如下：

(10.4)

其中各参数的含义同前，此处不再赘述。

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1.关键代码实现

2.案例效果

给场景设置点光源，并使用式(10.4)给添加了环境光反射系数、漫射系数和镜面光反射系数的OBJ模型计算直接光照，最终效果如图10-4所示。

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10.2.5Blinn-Phong光照模型

根据式(10.4)可知，Phong光照模型计算镜面光时，当R和V的夹角超过90°时，它们的余弦值变为小于0，这和自然现象不符合。针对该问题，本实验引入了如式(10.5)所示的Blinn-Phong光照模型。

(10.5)

式(10.5)在Phong光照模型的基础上引入了向量H，即V和L的中间向量，以避免高光部分出现负值。

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1.关键代码实现

2.案例效果

给场景设置点光源，并使用式(10.5)给添加了环境光反射系数、漫射系数和镜面光反射系数的OBJ模型计算直接光照，最终效果如图10-5所示。

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10.3.1Flat明暗过渡

Flat明暗过渡是一种简单的能量插值过渡方式，即用一种亮度的颜色作为整个(网格)面的颜色。本实验以顶点为基本单位，先利用光照模型计算出面顶点的能量(颜色)，然后取这个面顶点能量的平均值作为该面囊括的所有点的能量。对于面内点坐标计算，采用双线性插值的方式实现。

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1.关键代码实现