计算机图形学北工大光照模型

以下公式中的常量均具有三个分量
M
IkaIakd fiIli(NLi) i1
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说明2：Lambert模型的适用范围
适用于：理想漫反射物体，如：石灰墙面、 羊皮纸等。
不适用于：对诸如金属表面的物体不能描 述其镜面反射效果。
光（light）的概念
电磁波(Electromagnetic radiation, EMR) 在空中的传播
R(l) 表示EMR，用功率来衡量
• l 是波长（wavelength）
日光光谱能量
钨丝灯泡光谱能量
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高光指数n的影响
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Phong模型与Lambert模型的结合
在多点光源照射下，并考虑入射光的距离衰减效 应，得到改进后的Phong模型：
续：
计算表面镜面反射光亮度的经验模型：
Is ksIl cons
其中ks为 ：景物表面的 率镜 ， n为面 镜反 面射 高光指
为视线与镜面 之反 间射 的光 夹 Is为 线 角 镜， 面反
N
L
HR
V
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可见光（Perceiving light）
是 在 谱光 人 很 确的 眼 窄 定“ 可范 外 见围 表 的内 ”
的由 电其 磁能 波量
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可见波谱转换为“颜色（color）”
人眼是一个复杂的视觉系统
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续：
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考虑有向光源的情形
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续：Urban75.org
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光亮度(lighteness)计算依据：光照明模型
• 局部光照明模型
•Lambert模型 •Phong模型
• 整体光照明模型
•Whitted模型 •光能辐射度方程（隐式）
追求目标：光照效果的真实感
物体表面的反射率和透射率的光谱分布 输入条件的不同抽象方式定义不同的光照明模型
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仅考虑环境光的光照明模型
模拟环境中众多表面的光反射效果
模型抽象
物体表面发生漫反射 不考虑有向光源
光照计算公式：I = Ia*ka
M
IkaIa fiIl( ikdcoi sksco n is ) i 1
可见，Phong模型是几何模型，光源和颜色确定后，光亮
度只与和有关
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Phong模型的特点（简化之处）
理想的点光源，且不考虑辐射光强的空间分布 只考虑物体表面的法方向 漫反射光是入射光的直接反射 镜面反射光是对入射光的直接反射，且亮度由经
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点光源
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光照明模型定义
定义：
根据光学物理有关定律，计算景物表面任一点 投向观察者眼中的光亮度的大小和色彩组成的 公式
其中Ia表示环境光强度，可假设为常数；ka表示环境光
反射系数，由物体表面属性确定，在［0，1］取值
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漫反射模型 ---Lambert 模型
漫反射(diffuse reflection) 模型
光源：无向光或者方向光 模拟效果：入射光向各向均匀反射
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Lambert漫反射模型的改进
部分光线发生“反射reflected”
可能向多个方向反射
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续：
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同时考虑环境光及光源效果的模型为：
IkaIakdIl(N L )
其中 I a 为入射的泛光光强，k a 为表面对泛光的漫反射系数
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续：
考虑入射光的距离衰减效果，改进模型为： IkaIakdflI(N L )
• 较暗或不光滑表面(如粉笔或乳胶涂料) • 具有微结构的表面
diffuse reflection ---Lambertian reflection
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无向光源下的漫反射Demo
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Hale Waihona Puke Baidu
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第7章 光照明模型
（Illumination Mode）
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光亮度计算
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像素的光亮度值对图形真实感的影响
Final Fantasy
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续：Antz
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交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics
续：Antz
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5
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Demo---Control n
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Demo
Only Diffuse
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phong
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Demo
N=1, 4 ,7
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Phong模型
是考虑物体镜面反射效果的一种“高光”模 型
N
L
R
N
L
R
理想镜面反射
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一般光滑表面的镜面反射
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根据Lambert定律，得到Lambert光照模型：
IkdIl cos
其中：I为景物表面在被照射点P处的漫反射光的光亮度，
I l 为点光源所发出的入射光亮度
I d 为景物表面的漫反射率
为入射光与表面法向之间的夹角
N L
P
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与Phong模型综合得到如下的透射模型：
变是光 换个到 过非颜 程常色
复的 杂转 的换
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物体的颜色
光线照射到物体上一点时：
部分光线被吸收（absorbed）
转换为其它形式的能量（如热能）
部分光线通过物体本身
发生 “折射refraction”
光源类型
环境光照
例如：天空、地面、墙面
方向光源
例如：太阳
点光源
光线从一点发出
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环境光
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方向光源
续：
可见的折射和反射光在人眼视网膜上形成 物体的影像
反射和折射光的强度确定物体表面的明暗效果 反射和折射光的光谱能量确定物体表面的颜色
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颜色的表示
人眼对于三种颜色极为敏感：红绿蓝－三基
色（tricolor）
光亮度的相关因素：
光源的性质（几何分类：点、线、面、体） 景物表面的材料 景物表面的朝向及景物与光源之间的相对位置 等等
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光照模型所需的输入条件
环境的光源分布 入射光的光谱分布 景物表面的材料属性
续：
该光照模型公式可改写为： N L
IkdIl(NL)
P
当夹角大于90度时，光源位于物体背面，此时应取亮度为0 当夹角为0时，光源直接照射在物体表面，此时反射光最强
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Demo
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光亮度计算方法：表面绘制算法
• 扫描线方法 • 光线跟踪方法 • 光能辐射度方法
追求目标：画面生成的实时性
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第一节 光照模型
概念
• 可见光与视觉的形成 • 物体的颜色 • 光源
模型
• 局部光照明模型
• Lambert漫反射光照模型 • Phong模型 • 简单透射模型
• 整体光照明模型
• 统一光照明模型
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green yellow
构成线性系统RGB 系统，cyan
white
其中任意颜色可表示为：
red black
C(r,g,b)=rR+gG+bB blue
fuchsine
RGB 颜色系统
Grassmann定理: RGB 颜色系统是连续的
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续：
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Lambert’s Cosine Law
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=
cos
max(cos,0)
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Lambert漫反射光照模型
其中：f为光源强度衰减因子，与距离成反比
考虑多个点光源的叠加作用，改进模型为：
M
IkaIakd fiIli(NLi) i1
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说明1：光照明模型的颜色表达
假设颜色由红、绿、蓝三原色组合而成
对各颜色分量分别进行如上计算，所得 结果的组合即为物体表面的颜色。
验模型来确定 环境光被设定为常数 物体颜色被视为与物体材料无关
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简单透射模型
考虑表面上一点的透射效果：Ipt ktIpb
其中 Ipb是到P达 点背后的光强， 一可 光由 照任 明模型得 kt是P点的透射系数 Ipt是该点透射出的光强