第八章真实感图形绘制
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第八章真实感图形绘制
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
第八章真实感图形绘制
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。
第八章真实感图形绘制
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。
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。
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。
Phong 模型 光照明方程
第八章真实感图形绘制
wk.baidu.com
第八章真实感图形绘制
第八章真实感图形绘制
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
第八章真实感图形绘制
第八章真实感图形绘制
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
第八章真实感图形绘制
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，
部各点颜色，又称颜色插值着色方法。
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。
第八章真实感图形绘制
第八章真实感图形绘制
光照模型--明暗的光滑处理
Phong第光八照章真明实模感图型形示绘制意彩图
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
第八章真实感图形绘制
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。
第八章真实感图形绘制
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
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
第八章真实感图形绘制
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：
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 = KaIa Ie为物体表面所呈现的亮度。
第八章真实感图形绘制
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
第十二讲 真实感图形绘制
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
第八章真实感图形绘制
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。
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
第八章真实感图形绘制
第八章真实感图形绘制
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
第八章真实感图形绘制
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。
第八章真实感图形绘制
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
第八章真实感图形绘制
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
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
第八章真实感图形绘制
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。
第八章真实感图形绘制
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。
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。
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。
Phong 模型 光照明方程
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第八章真实感图形绘制
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
第八章真实感图形绘制
第八章真实感图形绘制
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
第八章真实感图形绘制
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，
部各点颜色，又称颜色插值着色方法。
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。
第八章真实感图形绘制
第八章真实感图形绘制
光照模型--明暗的光滑处理
Phong第光八照章真明实模感图型形示绘制意彩图
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
第八章真实感图形绘制
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。
第八章真实感图形绘制
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
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
第八章真实感图形绘制
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：
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 = KaIa Ie为物体表面所呈现的亮度。
第八章真实感图形绘制
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
第十二讲 真实感图形绘制
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
第八章真实感图形绘制
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。
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
第八章真实感图形绘制
第八章真实感图形绘制
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
第八章真实感图形绘制
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。
第八章真实感图形绘制
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
第八章真实感图形绘制
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