《真实感图形绘制》PPT课件
真实感图形绘制技术PPT课件
视点 P2 Front B A P1 P1 Front C D P2 A,B
P1 Back D,C
Back P2
Front
A
Back B
Front D
Back
C
（一）消隐技术
BSP算法（Binary Space Partition）
是一种决定场景可见性的有效方法 与画家算法类似，也是从远到近往屏幕覆盖画面元素 适合在场景不变，视点变化的场合中对景物表面做快
优点：
Z缓冲区算法排序灵活简单，有利于硬件实现。 在Z缓冲区算法中，屏幕上哪个像素点的颜色先计算，
哪个后计算，其先后顺序是无关紧要的，不影响消隐 结果。因此，该算法不需要预先排队，从而省去了排 序时间。 目前许多图形工作站都配置硬件实现的Z缓冲器算法， 以便于图形的快速生成和实时显示
所代表的面离视点更近，所以，由远及近地绘制各面 就相当于消除隐藏面。这与油画家作画的过程类似， 先画远景，再画中景，最后画近景，因此将这种算法 称为画家算法。
（一）消隐技术
表优先级算法（画家算 法）
优点：简单、易于实现，
A B
并且可以作为实现更为 复杂算法的基础 缺点：只能处理互不相 交的面，而且深度优先 级表中的顺序可能出错
（一）消隐技术
表优先级算法（画家算法）
1. 将屏幕置成背景色 2. 构造物体组成面的深度优先级表：把物体的各个面按
其离视点的远近进行排序，离视点远的在表头，离视 点近的在表尾 3. 由远到近进行绘制：从表头至表尾逐个取出多边形， 投影到屏幕上，显示多边形所包含的实心区域。
由后显示的图形取代先显示的画面，而后显示的图形
D
Front P2 Front D C
计算机图形学真实感图形绘制PPT课件
i1
i1
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10.2 基于简单光照模型的多边形绘制
恒定光强 Gouraud明暗处理 Phong明暗处理
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恒定光强
只用一种颜色绘制整个多边形 光源在无穷远处，则多边形上所有点的L·N 为常数，衰减函数也是一个常数。 视点在无穷远处，则多边形上所有点的V·R 为常数。 多边形是景物表面的精确表示，即不是一个 含曲线面景物的近似表示。
第十章 真实感图形绘制
基本概念 简单光照模型 基于简单光照模型的多边形绘制
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基本概念
真实感图形绘制：通过综合利用数学、物理学、 计算机以及心理学等知识在计算机图形输出设 备上绘制出能够以假乱真的美丽景象。
光强（度）：描述物体表面朝某方向辐射光的 颜色，它既能表示光能大小又能表示其色彩组 成的物理量。
n
n
IaK a f(di)Ip,iK d(L iN ) f(di)Ip,iK s(H iN )n
i 1
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颜色
选择颜色模型（color model） 面向硬件的颜色模型：RGB、CYM 面向视觉感知的颜色模型：HSI
为颜色分量指定光照模型
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基本概念
光照模型（Illumination model），也称明暗模 型，主要用于物体表面某点处的光强度计算。 简单的光照模型 复杂的光照模型
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基本概念
真实感图形绘制过程 根据假定的光照条件和景物外观因素，依
据一定的光照模型，计算可见面投射到观察者 眼中的光强度大小，并将它转换成适合图形设 备的颜色值，生成投影画面上每一个象素的光 强度，使观察者产生身临其境的感觉。
真实感图形绘制(光照模型 视无关)课件
10800 rays used in lighting pass.Note:-improved caustic definition,-lighting effect of mirror, -reflection of caustic,-shadowing due to mirror lighting.CausticsFrom Alan Watt, “3D Computer Graphics”Standard raytracer:Diffuse table and blue ball,mirrors left, right and back, transparent red ballBi-directional raytracer More rays in the light passSingle Pass (Conventional RT)Note : caustic due to red transparent ballHenrik http://www.gk.dtu.dk/~hwjBidirectional example200 rays used in lighting pass 400 rays used in lighting passRefraction causticsHenrik http://www.gk.dtu.dk/~hwj15Direct illumination 16Global Illumination17eyediagram photograph:18Original sculpture by John Ferren lit by daylight from behind.Image rendered with radiosity. note color bleeding effects.Ray traced image. A standard ray tracer cannot simulate the interreflection of light between 19Radiosity vs. Ray TracingRay-tracingView-dependentSpecular and refractionRadiosityView-independent Diffuse only20Radiosity vs. Ray Tracing•Ray tracing is an algorithm–If the camera is moved, we have to start over•Radiosity is computed in object-space–View-independent (just don't move the light)–Can pre-compute complex lighting to allow interactive walkthroughs26The Rendering EquationxMuseum simulation. Program of Computer Graphics, Cornell University.50,000 patches. Note indirect lighting from ceiling.32Radiosity Overview在辐射度方法中，所有的景物表面都假设为理想的朗伯漫反射表面所有的入射光在各个方向上反射的光强都一样整个场景被划分为一系列的小区域（small areas, or patches ）设小区域i 向外辐射的所有能量的辐射度为Bi,并认为在i 内所有地方的辐射度为一个常数单位如下，表示单位立体角单位面积的瓦特数:Watts / steradian * meter 2x'ω'x'xxx’Discrete Radiosity EquationA iA j•discrete representation•iterative solution•costly geometric/visibility calculationspatches, over which the radiosity =i B The Radiosity Matrix求解该矩阵，就可以为每一个patch 得到一个B i ，它与视点是无关的。
第章真实感图形绘制PPT课件
物体：非透明物体，表面光滑透射光和 散射光不计；被吸收到物体内部的
会产生视觉效果，忽略不计；
光不
因此，简单光照模型只考虑反射光。
反射光包括：环境光、漫反射光、镜面反射光。
10.2.1 环境光
物体接受到的周围物体散射出来的光， 代表一种分布光源。
P点对环境光的反射强度为
其中
Ie——环境光的漫反射光强 Ia——入射的环境光光强 Ka——环境光的漫反射常数
Ie = Ia * Ik
P
环境光的反射
10.2.2 漫反射光
漫反射：一个粗糙的物体表面对光源的反应为漫反射， 即光线入射到该表面后，向各个方向做同等光强的反射。 所以从任何角度看，该物体具有同样的亮度。
点光源
N
L
q
P
漫反射
漫反射光（Diffuse Reflection）
对于彩色
I p (I pR , I pG , I pB ) IdR I pR KdR (L N )
IdG I pG KdG (L N )
IdB I pB KdB (L N )
对于多个漫反射光源
n
Id I p,i Kd (Li N ) i 1
i 1
i 1
n
n
I B I aB KaB f (di )I pB,i KdB (Li N ) f (di )I pB,i K sB (Hi N )n
i 1
i 1
10.3 基于简单光照模型的多边形绘制
10.3.1 恒定光强的多边形绘制
只用一种颜色绘制整个多边形：任取多边形上一点，利 用简单光照模型计算出它的颜色，该颜色即是多边形的 颜色。
计算机图形学第7讲真实感图形的绘制PPT课件
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简单光照明模型
Gouraud明暗处理算法
计算多边形顶点的平均法向
nb n
nc
用与顶点相邻的所有多边形 的法向的平均值近似作为该
na
nd
顶点的近似法向量
用Phong光照明模型计算顶 点的平均光强
插值！
I1 I2
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I0
I4 I3
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简单光照明模型
光强插值
(R) 、(G) 、(B) 为正值 (R) 、(G) 、(B)为方向，代表颜色
降维到色度平面(R) +(G)+(B)=1
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基础概念
球面坐标系
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基础概念
立体角（Solid Angle）
投影面积
Anv
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v
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基础概念
光通量
单位时间内通过面元的光能量（单位W）
饱和度(Saturation)-纯度(Purity)
颜色纯度
纯度越高：单一波长且更亮（激光）
亮度(Lightness)-明度(Luminance)
光的亮度 光在单位时间内从单位面积向单位立体角所发射的能量
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颜色
红、绿、蓝三原色 (RGB)
1862年Helmhotz提出 视锥网膜存在三种细胞，分别感应红绿蓝三种颜色
N4 N3
D
F B
E
C
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简单光照明模型
Phong明暗处理：双线性法线插值
通过更加平滑的法向量变化，以产生高光效果
《真实感图形》课件
谢谢您的聆听
THANKS
通过表面细节模拟，可以模拟出物体表面的微观纹理和结构，如皮肤毛孔、金属划痕等，进一步提高 图形的真实感。
03
真实感图形的制作流程
建模阶段
3D模型创建
使用三维建模软件（如Blender、3ds Max等）创建物体模型。
细节处理
对模型进行细节调整，包括平滑表面、修 复错误等。
模型优化
简化模型结构，降低多边形数量，以提高 渲染效率。
案例三：建筑物的真实感表现
总结词：细节丰富
详细描述：该案例展示了如何使用计算机图 形技术来创建具有高度真实感的建筑物模型 。通过精细的模型构建、纹理映射和光照模 型，再现了建筑物的每一个细节，包括砖石 纹理、窗户结构、阴影效果等，使建筑物看 起来更加生动和真实。同时，还探讨了如何 将建筑物与周围环境相结合，营造出更加逼
高级渲染技术应用
使用全局光照、光线追踪等高级渲染技术 ，增强真实感。
后期处理阶段
01
02
03
图像合成
将渲染出的图像与背景进 行合成，以形成完整的场 景。
色彩校正
调整图像的色彩、亮度等 ，使图像更加自然。
特效添加
根据需要添加一些特效， 如景深、运动模糊等，以 增强画面表现力。
04
真实感图形的挑战与未来发展
材质与贴图阶段
材质设定
为模型设定合适的材质属 性，如颜色、光泽度、纹
理等。
纹理贴图
为模型添加纹理贴图，以 增加表面细节和质感。
贴图调整
调整纹理贴图的尺寸、角 度和偏移，使其与模型表
面匹配。
光照与渲染阶段
灯光设置
根据场景需求设置合适的光源，包括主光 源、辅助光源等。
真实感图形绘制技术55页PPT
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
1、最灵繁的人也看不见腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
gjlchp10真实感图形绘制
I = Ip K scosna
光滑平面
镜面
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
2019/11/1
浙江大学计算机图形学
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简单光照明模型-镜面反射
镜面反射 Is IpKscons 或 Is IpKs(VR)n
I d 漫反射的亮度 I p 点光源的亮度 K d 漫反射系数 入射角 漫反射光的强度 只与入射角有关
2019/11/1
浙江大学计算机图形学
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简单光照明模型-漫反射
将环境光与漫反射结合起来
I Ie Id Ia K a Ip K d(L N )
一般取Ia = (0.02~0.2)Id
浙江大学计算机图形学
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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
光源 入射光
法向量 反射光 视线
2019/11/1
浙江大学计算机图形学
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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 1 s in
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
2019/11/1
浙江大学计算机图形学
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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。
2019/11/1
浙江大学计算机图形学
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简单光照明模型-镜面反射
环境光反射系数Ka：在分布均匀的环境光照射
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用光线跟踪方法显示真实感图形有如下优点： 1）显示它不仅考虑到光源的光照，而且考虑到场景中各物体之间 彼此反射的影响，因此显示效果十分逼真。
2）有消隐功能 采用光线跟踪方法，在显示的同时，自然完成消隐功能。而且，事 先消隐的做法也不适用光线跟踪，因为那些背面和被遮挡的面，虽 然看不见，但仍能通过反射或透射影响着看得见的面上的光强。
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
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 • 光照明方程
对多边形网络中的每一个多边形，其着色步骤如下： 1）计算多边形的单位法矢量；
2）计算多边形顶点的单位法矢量； 3）利用光照明方程计算顶点的颜色； 4）在扫描线消隐算法中，对多边形顶点颜色进行双线性插值， 获得多边形内部（位于多边形内的扫描线上）各点的颜色。
多边形绘制方法
• Phong着色方法
通过对多边形顶点的法矢量进行线性插值来获得其内 部各点的法矢量，又称法向插值着色方法。
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。
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
• 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
步骤如下： 1）计算多边形的单位法矢量；
2）计算多边形顶点的单位法矢量； 3）在扫描线消隐算法中，对多边形顶点的法矢量进 行双线性插值，获得多边形内部（位于多边形内的扫 描线上）各点的法矢量； 4）利用光照明方程计算各点的颜色。
光照模型--明暗的光滑处理
Phong光照明模型示意彩图
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
光照模型--明暗的光滑处理
图中上面的牛多边形网格模型用Phong模 型绘制 下面的同一个模型用增量式光照明模型 绘制
• 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。
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 = KaIa
Ie为物体表面所呈现的亮度。
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
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
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
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。
• 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。
第十二讲
真实感图形绘
简单光照明模型 多边形绘制方法 表面细节模拟 透明 整体光照明模型
• 现实世界中，物体所表现的颜色都是光能作用的结果。 客观世界中的物体都不同程度地具有发射光线、吸收 光线、反射光线和透射光线的能力。光线照射到物体 表面时，一部分被吸收并转化为热能，其余部分被则 反射或透射。正是部分反射或透射的光线被眼睛接收 后，我们才感觉到物体的存在及其所特有的形状和色 彩。因此，要绘制高度真实感图形，就必须定义场景 中的光源。为了便于计算，我们必须定量地描述光的 多少或强弱，亮度和强度就是用来定量描述光的两个 基本概念。
• 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
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。