第八章 真实感图形绘制

曲面细节多边形方法
通过从光源和视点两次消隐生成阴影。 算法思想：首先取光源方向为视线方向对景物进行第一次消隐， 产生相对光源可见的景物多边形，并通过标示数将这些多边形 与它们覆盖的原始景物多边形联系在一起。接着算法取视线方 向对景物进行第二次消隐。
光线跟踪--光线跟踪的基本原理
光线跟踪（Ray-trace）是一种真实感地显示物体的方法，该 方法由Appel在1968年提出[11]。光线跟踪方法沿着到达视点的光线 的相反方向跟踪，经过屏幕上每一象素，找出与视线所交的物体表 面点 P0，并继续跟踪，找出影响P0点光强的所有的光源，从而算出 P0点上精确的光照强度。
三色学说
根据红、绿、蓝三原色可以产生各种色调及灰 度的颜色混合规律，假设在人眼内有3种基本的 颜色视觉感觉纤维。 近代：3种颜色感觉纤维实际上是视网膜的3种 锥体细胞。每一种锥体细胞包含一种色素，3种 锥体细胞色素的光吸收特性不同，所以在光照 射下它们吸收和反射不同的光波。
CIE色度图
3原色： 红色：R的波长为700nm 绿色：G的波长为546.1nm 蓝色：B的波长为435.8nm 光的匹配式子：
多边形绘制方法
两方法的比较 1）Phong着色方法计算量远大于Gouraud着色方法

2） Phong着色方法绘制的图形比Gouraud方法更真实
体现在两个场合：高光区域的扩散 不产生高光区域

插值着色方法存在的问题

1982 年Cook和Torrance提出了一个基于物 理光学的表面反射模型——Cook· Torrance 模型，使得模型中反射光的位置和分布与实际 情况非常接近，因而用它绘制的图形具有很好 的质感。 Cook· Torrance模型的表达式如下：
常见颜色模型
一个颜色模型指的是三维颜色空间种的一个子集，它包 含某个颜色域种的所有颜色。 1.RGB颜色模型
用红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）为坐标轴 定义的单位立方体。
常见颜色模型
2.CMY颜色模型
用青（Cyan）、品红（Magenta）和黄（Yellow） 3种原色所定义的一种彩色模型。
3.亮度：光的强度，是光给人刺激的强度。
色调和饱和度合起来又叫做色度。色度说明颜色类别和颜 色的深浅程度。
颜色的概念及其描述
从物理光学的角度出发，颜色可分 为：
1.主波长：是所见彩色光中占支配 地位的光波长度 2.纯度：是光谱纯度的量度，即纯 色光中混有白色光的多少。
3.明度：反映了光的明亮程度，即 光的强度。

物体所表现的颜色与光源有密切的关系。光照模型的 作用就是计算物体可见表面上每个点的颜色与光源的 关系，因此它是决定图形真实感的一项重要内容。物 体表面发出的光是极其复杂的，它既与环境中光源的 数目、形状、位置、光谱组成和光强分布有关，也与 物体本身的反射特性和物体表面的朝向有关，甚至还 与人眼对光线的生理和心理视觉因素有关。把这一切 都通过计算机精确地计算出来是不现实的，我们只能 用尽可能精确的数学模型——光照模型来模拟光和物 体的相互作用，从而近似地计算物体可见表面每一点 的亮度和颜色。
简单光照明模型
当光照射在一个物体表面时，会出现3种情形：
•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，产生投射光 •部分光将被物体表面吸收而转化为热 •
反射光，透射光决定了物体所呈现的颜色
不包括透射光的简单光照模型： 假设物体不透明，则物体表面呈现的颜色及其光强仅由表面的反 射光决定。通常，反射光被看成是3个分量的组合。这三个分量分 别为环境反射、漫反射和镜面反射。
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。
简单光照明模型

点光源的照射：照在物体的不同部分其亮度也不同，
亮度Ip的大小依赖于物体的朝向及它与点光源之间的距离.

漫反射(diffuse reflection):粗糙、无光泽的
表面对光的反射

朗伯余弦定律： Id = IpKd cos a 漫反射光的强度只与入射角有关 光照明方程（含环境光与漫反射光） I = Ie + Id = IaKa + IpKd cos a
通过线性插值的方法均匀地改变每个多边形平面的亮度值，使 亮度平滑过渡从而解决相邻平面之间明暗度不连续性。在 Gouraud明暗处理中，先计算各多边形顶点的明暗度，然后通过 线性插值的方法确定扫描线上各点的明暗度。
12.3.3 Phong明暗算法
首先求出曲面网格上多边形顶点处的法矢量，顶点法矢量取包 含该顶点的所有多边形平面的法矢量的平均值，然后根据顶点 的法矢量应用线性插值法计算扫描线上每个点的法矢量。
多边形绘制方法

分类：均匀着色与光滑着色 均匀着色
所适用场景：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；

光滑着色，亦称插值着色
Gouraud着色方法 Phong着色方法
多边形绘制方法

Gouraud着色方法 通过对多边形顶点颜色进行线性插值来获得其内 部各点颜色，又称颜色插值着色方法。
=
KaIa
环境光
具有不同环境光反射系数的两个球
I a 1 .0
K a 0 .4
K a 0 .8
漫反射
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I 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.
简单光照明模型
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（仅含环境光）： Ie Ie为物体表面所呈现的亮度。

物体表面光的亮度是指单位投影面积在单位立 体角内发出的光的能量，它是物体表面上的小 面元所具有的性质。对点光源常用强度来代替 亮度。强度是指点光源在单位立体角内发出的 光能。同样大小的被照射面离光源越远，接收 到的光能就越少。光的传播服从反射定律和折 射定律，光源与物体所表现颜色的关系可通过 光照模型来模拟。
简单光照明模型

镜面反射：
光滑表面，“高光”效果；理想反射面与非理想反射面

Phong 模型
简单光照明模型

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
简单光照明模型
常见颜色模型
3.HSV颜色模型
通过指定一个色彩并将一定量的白色和黑色 加到该颜色上以获得不同的色泽、明暗和色 调。HSV是指色彩（Hue）、饱和度 （Saturation）和辉度值（Value）。
常见颜色模型
4.YIQ颜色模型
Y：表示亮度，在三分量种占据了大部分频 宽。同时，Y信号中红、绿、蓝三原色按适 当比例混合以获得标准的光谱光效率曲线。 I：同相信号，其颜色值包含了橙色至青色 的色彩信息。 Q：正交信号，它包含了绿色至品红色的色 彩信息。
颜色
由于真实感图形系统最终生成的是一幅能显示在 监视器（或其他输出设备）上的彩色图像，因而 真实感图形的绘制效果依赖于对景物颜色的准确 表达。颜色的形成是一个复杂的物理和心理相互 作用的过程，它涉及到光的传播特性、人脑结构 及人脑心理感知等内容。
颜色的概念及其描述
颜色是人类视觉系统的一种感觉。从视觉系统的角度出发， 颜色描述为： 1.色调：反映颜色的类别 2.饱和度：颜色的纯度，饱和度越高，则该颜色越浓。

彩色场景的产生
1）选择一个合适的颜色模型 2）为颜色的三个分量分别建立光照明方程

光照明方程
固定颜色光的光照明方程 任意颜色光的光照明方程 多光源照射的光照明方程

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简单光照明模型

最基本的光照模型是Phong模型，它首次使光 源和视点的位置可以任意选定。

Phong 模型表达式如下：

Phong 模型假设反射光线集中在反射方向(反 射角等于入射角的方向)附近，并随着与反射 方向夹角的增大，反射光急剧减弱。用Phong 模型计算所得的物体象塑料，镜面反射光是光 源的颜色，不能反映物体表面的材料特性，而 且镜面反射在入射角很大时有失真。这个模型 模拟的反射效果不理想，用它生成的图形缺乏 质感。

利用上述光照模型，可以计算出场景中各物体每一点的 颜色。该颜色只与直接光源、物体的材料及该点的法向 量有关，与它周围的物体还没有建立联系，这样的光照 模型被称为局部光照模型。但现实世界里的大多数物体 都具有明显的反光特性(因此我们的眼睛才能感觉到它 们的存在)，有些物体还具有透明特性，一个物体的反 射光和透射光也会对其它物体产生明显的影响。光线跟 踪算法和辐射度算法较好地解决了这方面的问题，它们 被称为全局光照模型。其中光线跟踪算法解决了物体之 间的镜面反射和透射的影响，能产生镜像、透明和阴影 等效果，但对漫反射处理不足，辐射度算法正好解决了 这一不足，它从能量的角度出发，很好地模拟了物体之 间的漫反射。
明暗效应
在绘制具有真实感的三维图形过程中，首先应根 据物体被光源照射的情况，应用光照模型计算物 体表面的光照强度值，然后将强度值转换为用户 所使用的计算机能支撑的图形系统所允许的亮度 级之一或图形软件所支持的明暗模式。
光照模型--明暗的光滑处理
Phong光照明模型示意彩图
12.3.2 Gouraud明暗算法
光照模型--明暗的光滑处理