第九章真实感图形.ppt
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1、南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,第十章 真实感图形绘制,简单光照明模型 多边形绘制方法 透明 整体观照明模型 光线跟踪算法,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,第十章 真实感图形绘制,光照模型(Illumination Model):计算某一点的光强度的模型,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,真实感图形的特点,能反映物体表面颜色和亮度的细微变化 能表现物体表面的质感 能通过光照下的物体阴影,极大地改善场景的深度感和层次感,充分体现物体间的相互遮挡关系 能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜面效果,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,影响观察者看到的表面颜色的因素,物体的几何形状
2、光源 位置、距离、颜色、数量、强度、种类 环境 遮挡关系、光的反射与折射、阴影 视点位置 物性 材料、颜色、透明度 折射性 表面光洁度,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,光源,几何性质 点光源 线光源 面光源 光谱组成 白色光等能量的各种波长可见光的组合 彩色光 单色光,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,真实感图形学早期发展,1967年,Wylie等人第一次在显示物体时加进光照效果,认为光强与距离成反比。 1970年,Bouknight提出第一个光反射模型:Lambert漫反射环境光 1971年,Gouraud提出漫反射模型加插值的思想 1975年,Phong提出图形学中第一个有影响的
3、光照明模型,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,相关物理知识,光的传播 反射定律:入射角等于反射角,而且反射光线、入射光线与法向量在同一平面上,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,折射定律,折射定律:折射线在入射线与法线构成的平面上,折射角与入射角满足,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,能量关系,在光的反射和折射现象中的能量分布: 下标为i,d,s,t,v的能量项分别表示为入射光强,漫反射光强,镜面反射光强,透射光强,吸收光强 能量是守恒的,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型,模拟物体表面的光照明物理现象的数学模型光照明模型 简单光照明模型亦称局部光照明模型,其假定物
4、体是不透明的,只考虑光源的直接照射,而将光在物体之间的传播效果笼统地模拟为环境光。 可以处理物体之间光照的相互作用的模型称为整体光照明模型,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型,光照射到物体表面,主要发生: 反射 透射(对透明物体) 部分被吸收成热能 反射光,透射光决定了物体所呈现的颜色,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-环境光,假定物体是不透明的(即无透射光) 环境光:在空间中近似均匀分布,即在任何位置、任何方向上强度一样,记为Ia 环境光反射系数Ka:在分布均匀的环境光照射下,不同物体表面所呈现的亮度未必相同,因为它们的环境光反射系数不同。 光照明方程(
5、仅含环境光): Ie = KaIa Ie为物体表面所呈现的亮度。,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型- 环境光例子,具有不同环境光反射系数的两个球,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-环境光,缺点:虽然不同的物体具有不同的亮度,但是同一物体的表面的亮度是一个恒定的值,没有明暗的自然过度。,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型,考虑引入点光源。 点光源:几何形状为一个点,位于空间中的某个位置,向周围所有的方向上辐射等强度的光。记其亮度为Ip 点光源的照射:在物体的不同部分其亮度也不同,亮度的大小依赖于物体的朝向及它与点光源之间的距离.,南昌大学
6、信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型:-漫反射角度余弦的推导,漫反射 粗糙、无光泽物体(如粉笔)表面对光的反射 光照明方程 漫反射的亮度 点光源的亮度 漫反射系数 入射角 漫反射光的强度 只与入射角有关,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-漫反射,将环境光与漫反射结合起来 一般取Ia= (0.020.2)Id 例子,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-漫反射,缺点:对于许多物体,使用上式计算其反射光是可行的,但对于大多数的物体,如擦亮的金属、光滑的塑料等是不适用的,原因是这些物体还会产生镜面发射。,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型
7、-镜面反射,镜面反射 光滑物体(如金属或塑料)表面对光的反射 高光 入射光在光滑物体表面形成的特别亮的区域,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-镜面反射,理想镜面反射 观察者只能在反射方向上才能看到反射光,偏离了该方向则看不到任何光。,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-镜面反射,非理想镜面反射 P为物体表面上一点,L为从P指向光源的单位矢量,N为单位法矢量,R为反射单位矢量,V为从P指向视点的单位矢量,光滑平面,I = Ip K scosna,镜面,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-镜面反射,镜面反射 Is为镜面反射光强。 点光源的亮度
8、 Ks是与物体有关的镜面反射系数。n为镜面反射指数,n越大,则Is随a的增大衰减的越快。 n的取值与表面粗糙程度有关。 n越大,表面越平滑(散射现象少,稍一偏离,明暗亮度急剧下降) n越小,表面越毛糙(散射现象严重),或,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-镜面反射,反射方向计算 L在N上的投影矢量为Ncosu,则S+L= Ncosu 记矢量S= Ncosu -L 则有R= Ncosu +S,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-Phong光照明模型,简单光照明模型模拟物体表面对光的反射作用,光源为点光源 反射作用分为 物体间作用用环境光(Ambient Li
9、ght) 漫反射(Diffuse Reflection) 镜面反射(Specular Reflection),南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-Phong光照明模型,Phong光照明模型的综合表述:由物体表面上一点P反射到视点的光强I为环境光的反射光强Ie、理想漫反射光强Id、和镜面反射光Is的总和。,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-Phong光照明模型的实现,对物体表面上的每个点P,均需计算光线的反射方向。为了减少计算量,假设: 光源在无穷远处,L为常向量 视点在无穷远处,V为常向量 (HN)近似(RV),H为L与V的平分向量,N,H,对所有的点总共
10、只需计算一次H的值,节省了计算时间,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-Phong光照明模型,Phong模型几何,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-光的衰减,光的衰减 两个阶段: 1)从光源到物体表面的过程中的衰减 2)从物体表面到人眼过程中的衰减 总的效果:物体表面的亮度降低 光照明方程 1)有效衰减函数的加入 2)深度暗示技术的加入,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-光的衰减,光的衰减 光在光源到物体表面过程中的衰减 光强按 1/d2 进行衰减: 缺点:当d很大时,变化很小;当d很小时,变化很大。 衰减函数 光照明方程,南昌大学信息
11、工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-光的衰减,光在物体表面到人眼过程中的衰减 深度暗示(Depth Cueing)技术:最初用于线框图形的显示,使距离远的点比近的点暗一些。经过改进,这种技术同样适用于真实感图形显示。 设前参考面Z=Zf,后参考面Z=Zb;其比例因子分别为Sf和Sb( Sf和Sb e0,1)。给定物体上一点的深度值Z0,该点对 应的比例因子S0按如下 方式确定,前参考面,后参考面,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-光的衰减,当Z0 Zf时,取S0=Sf 当Z0 Zf时,取S0 =Sb 当Z0e Zb,Zf时,取 原亮度I按比例S0与融和亮度Idc混合,
12、目的是获得最终用于显示的亮度I,Idc由用户指定,,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-光的衰减,特例: 取Sf=1,Sb=0,Idc=0,则当物体位于参考面之前时,S0= Sf= 1,I=I,即亮度没有被衰减。当物体位于后参考面之后时, S0 = Sb =0, I=Idc=0,即亮度衰减为0。而当Z0e Zb,Zf时,I=S0I,亮度被部分衰减。由此可以产生较好的效果。,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-彩色场景的产生,产生彩色 选择合适的颜色模型-RGB模型 为颜色模型中的每一种基色建立光照明方程,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-
13、彩色场景的产生,系数分解 上述各等式中,右端的矢量用来控制表面的基本颜色,当选定了物体表面的颜色之后,它们就固定不变了。用户通过调节Ka,Kd,Ks来改变表面的反射率。,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-彩色场景的产生,新的光照明方程 统一表示,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-多个光源,采用多个光源 采用m个光源的光照明方程,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,简单光照明模型-多个光源,例子:其中a图:线框图 b图:环境光 c图:增加漫反射 d图:增加镜面反射 e图:增加光的衰减 f图:两个点光源,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,Phong光照
14、明模型的不足,Phong光照明模型是真实感图形学中提出的第一个有影响的光照明模型 经验模型,Phong模型存在不足: 显示出的物体象塑料,无质感变化 没有考虑物体间相互反射光 镜面反射颜色与材质无关 镜面反射大入射角失真现象,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,多边形绘制方法,分类:均匀着色与光滑着色 均匀着色 方法:任取多边形上一点,利用光照明方程计算出它的颜色,用这个颜色填充整个多边形 适用场合:1)光源在无穷远处; 2)视点在无穷远处; 3)多边形是物体表面的精确表示;,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,多边形绘制方法,缺点:产生的图形效果不好。 如左图:相邻两个多边形的法向不同,
15、计算出来的颜色也不同,因此造成整个物体表面的颜色过渡不光滑。 如何解决? 光滑着色,亦称插值着色 Gouraud着色方法 Phong着色方法,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,Gouraud着色方法,Gouraud于1971年提出,又被称Gouraud明暗处理 基本思想:在每个多边形顶点处计算颜色,然后在各个多边形内部进行线性插值,得到多边形内部各点颜色。即它是一种颜色插值着色方法。 注意:Gouraud着色方法并不是孤立的处理单个多边形,而是将构成一个物体表面的所有多边形(多边形网格)作为一个整体来处理。,南昌大学信息工程学院计算机系 徐少平,Gourand 着色方法,对多边形网格中的每
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