计算机图形学第7讲真实感图形的绘制PPT课件
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物体不透明，即没有透射光
光种类
环境光、漫反射光和镜面反射光
光源
点光源
Phong模型
2020年9月28日
20
简单光照明模型
Bùi Tường Phong（裴祥风，1942-1975）
生于越南河内 犹他大学博士学位 提出Phong反射与着色模型
2020年9月28日
21
简单光照明模型
真实感图形的绘制
讲授：邓浩
中南大学地球科学与信息物理学院地理信息系
2020年9月28日
1
基本概念 简单光照明 局部光照明 全局光照明 总结 纹理（上机实验，大作业） 阴影（上机实验）
2020年9月28日
2
基本概念
简单光照明 局部光照明 全局光照明 总结 纹理（上机实验，大作业） 阴影（上机实验）
环境光（Ambient light）
在物体和周围环境之间多次反射后，最终达到平衡时的一 种光，又称为背景光
光强（度）：空间上分布均匀，即任何位置和方向光强度 一样，亮度值记为Ia
反射系数：与物体表面性质有关，决定物体表面呈现的亮 度，记为Ka
光照模型方程
Ie = Ka Ia
Ie为物体表面呈现的亮度
青 (Cyan)、品红 (magenta)、黄三原色（CMY）
印刷
2020年9月28日
7
颜色
颜色空间
C= rR+ gG+ bB (r,g,b)值可能会存在负数
2020年9月28日
8
颜色空间
CIE XYZ颜色空间
三种假想标准原色X、Y 、Z保证 C= (R)X + (G) Y + (B) Z中
2020年9月28日
3
颜色
颜色或色彩是通过眼、脑和我们的生活经验所产生 的一种对光的视觉效应
颜色：对不同电磁波长的视觉效应 可见光：
380nm~760nm
2020年9月28日
4Βιβλιοθήκη Baidu
颜色
心理-物理 色调(Hue)-主波长(Dominant Wavelength)
是一种颜色区别于其它颜色的因素，也就是我们平常所 说的红、绿、蓝、紫等
辉度（Irradiance ）
通过单位面积的光通量（单位W/m2）
发光强度(Intensity)
点光源在某个方向上的发光强度
2020年9月28日
12
基础概念
光亮度（Radiance，又名辐射率）
通过单位面积在单位立体角方向上的光通量（单位： W/(sr*m2)）
与辉度关系
Ω为覆盖发光方向的半球
Id KdIpcos
Kd 是漫反射系数（0～1之间的常数），与物体表面性质有关 Ip 是入射光（光源）的光强； θ是入射光的入射角，即入射光与物体表面法向间的夹角
漫反射可由向量表示为
IdKdIp(NL)
注意若 N Lco s 0，漫反射 Id 0
当存在多个光源时 m Id Kd Ipi (NLi) i1
2020年9月28日
17
光照明
简单光照明 局部光照明
只考虑光线直接照射物体表面的情况
整体光照明
考虑光物体之间传播情况
2020年9月28日
18
基本概念
简单光照明
局部光照明 全局光照明 总结 纹理（上机实验，大作业） 阴影（上机实验）
2020年9月28日
19
简单的光照明
近似 假设
2020年9月28日
15
基础概念
绘制方程（反射项）
视点所见的光亮度
视点方向
光照明：难以模拟真实的BRDF反射
经验模型 物理模型（近似）
2020年9月28日
16
光照明（illumination）
光作用
自发光 反射 透射（透明物体）
包括折射
被物体吸收转化为热能
只有反射光和透射光决定物体的颜色
2020年9月28日
26
简单光照明模型
非理想反射面：近似描述了镜面反射光的空间分布
Is Ip K scn o sIp K s(V R )n
Ks：物体表面镜面反射系数，它与入射角和波长有关； α ： 视线与反射方向的夹角； n ：为镜面高光系数，用来模拟镜面反射光在空间中的汇聚程
度，它是一个反映物体表面光泽度的常数；
(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
2020年9月28日
9
基础概念
球面坐标系
2020年9月28日
10
基础概念
立体角（Solid Angle）
投影面积
Anv
2020年9月28日
v
11
基础概念
光通量
单位时间内通过面元的光能量（单位W）
2020年9月28日
13
基础概念
反射：
漫反射 镜面发射
真实的反射
2020年9月28日
14
基础概念
真实的反射——BRDF
BRDF(bidirectional reflectance distribution function，二 向反射分布函数)
四维函数：描述面元从 方向接收光的辐射度，经反射 后，反射光在 方向的辐射率
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
2020年9月28日
5
2020年9月28日
6
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
cosn
2020年9月28日
Ka = 0.4
Ka = 0.8
22
简单光照明模型
漫反射（Diffuse Reflection）
点光源：向周围所有方向发射等强度的光 由物体表面的粗糙不平引起的 空间分布均匀 与视点无关
N L
2020年9月28日
23
简单光照明模型
漫反射光在空间均匀分布，反射光强 I 与入射光的入射 角θ 的余弦成正比，即：
2020年9月28日
24
简单光照明模型
环境光与漫反射光结合
方程： I Ie Id Ia K a Ip K d (L N )
例子：
2020年9月28日
25
简单光照模型
镜面反射（Specular Reflection）
物体表面对入射光的反射 遵循反射定律
（1）反射光与入射光位于表面法向两侧 （2）理想反射面而言：入射角＝反射角 观察者在反射方向上看到反射光最强 高光：光滑物体表面在点光源的照射下形成一块特别亮 的区域
光种类
环境光、漫反射光和镜面反射光
光源
点光源
Phong模型
2020年9月28日
20
简单光照明模型
Bùi Tường Phong（裴祥风，1942-1975）
生于越南河内 犹他大学博士学位 提出Phong反射与着色模型
2020年9月28日
21
简单光照明模型
真实感图形的绘制
讲授：邓浩
中南大学地球科学与信息物理学院地理信息系
2020年9月28日
1
基本概念 简单光照明 局部光照明 全局光照明 总结 纹理（上机实验，大作业） 阴影（上机实验）
2020年9月28日
2
基本概念
简单光照明 局部光照明 全局光照明 总结 纹理（上机实验，大作业） 阴影（上机实验）
环境光（Ambient light）
在物体和周围环境之间多次反射后，最终达到平衡时的一 种光，又称为背景光
光强（度）：空间上分布均匀，即任何位置和方向光强度 一样，亮度值记为Ia
反射系数：与物体表面性质有关，决定物体表面呈现的亮 度，记为Ka
光照模型方程
Ie = Ka Ia
Ie为物体表面呈现的亮度
青 (Cyan)、品红 (magenta)、黄三原色（CMY）
印刷
2020年9月28日
7
颜色
颜色空间
C= rR+ gG+ bB (r,g,b)值可能会存在负数
2020年9月28日
8
颜色空间
CIE XYZ颜色空间
三种假想标准原色X、Y 、Z保证 C= (R)X + (G) Y + (B) Z中
2020年9月28日
3
颜色
颜色或色彩是通过眼、脑和我们的生活经验所产生 的一种对光的视觉效应
颜色：对不同电磁波长的视觉效应 可见光：
380nm~760nm
2020年9月28日
4Βιβλιοθήκη Baidu
颜色
心理-物理 色调(Hue)-主波长(Dominant Wavelength)
是一种颜色区别于其它颜色的因素，也就是我们平常所 说的红、绿、蓝、紫等
辉度（Irradiance ）
通过单位面积的光通量（单位W/m2）
发光强度(Intensity)
点光源在某个方向上的发光强度
2020年9月28日
12
基础概念
光亮度（Radiance，又名辐射率）
通过单位面积在单位立体角方向上的光通量（单位： W/(sr*m2)）
与辉度关系
Ω为覆盖发光方向的半球
Id KdIpcos
Kd 是漫反射系数（0～1之间的常数），与物体表面性质有关 Ip 是入射光（光源）的光强； θ是入射光的入射角，即入射光与物体表面法向间的夹角
漫反射可由向量表示为
IdKdIp(NL)
注意若 N Lco s 0，漫反射 Id 0
当存在多个光源时 m Id Kd Ipi (NLi) i1
2020年9月28日
17
光照明
简单光照明 局部光照明
只考虑光线直接照射物体表面的情况
整体光照明
考虑光物体之间传播情况
2020年9月28日
18
基本概念
简单光照明
局部光照明 全局光照明 总结 纹理（上机实验，大作业） 阴影（上机实验）
2020年9月28日
19
简单的光照明
近似 假设
2020年9月28日
15
基础概念
绘制方程（反射项）
视点所见的光亮度
视点方向
光照明：难以模拟真实的BRDF反射
经验模型 物理模型（近似）
2020年9月28日
16
光照明（illumination）
光作用
自发光 反射 透射（透明物体）
包括折射
被物体吸收转化为热能
只有反射光和透射光决定物体的颜色
2020年9月28日
26
简单光照明模型
非理想反射面：近似描述了镜面反射光的空间分布
Is Ip K scn o sIp K s(V R )n
Ks：物体表面镜面反射系数，它与入射角和波长有关； α ： 视线与反射方向的夹角； n ：为镜面高光系数，用来模拟镜面反射光在空间中的汇聚程
度，它是一个反映物体表面光泽度的常数；
(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
2020年9月28日
9
基础概念
球面坐标系
2020年9月28日
10
基础概念
立体角（Solid Angle）
投影面积
Anv
2020年9月28日
v
11
基础概念
光通量
单位时间内通过面元的光能量（单位W）
2020年9月28日
13
基础概念
反射：
漫反射 镜面发射
真实的反射
2020年9月28日
14
基础概念
真实的反射——BRDF
BRDF(bidirectional reflectance distribution function，二 向反射分布函数)
四维函数：描述面元从 方向接收光的辐射度，经反射 后，反射光在 方向的辐射率
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
2020年9月28日
5
2020年9月28日
6
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
cosn
2020年9月28日
Ka = 0.4
Ka = 0.8
22
简单光照明模型
漫反射（Diffuse Reflection）
点光源：向周围所有方向发射等强度的光 由物体表面的粗糙不平引起的 空间分布均匀 与视点无关
N L
2020年9月28日
23
简单光照明模型
漫反射光在空间均匀分布，反射光强 I 与入射光的入射 角θ 的余弦成正比，即：
2020年9月28日
24
简单光照明模型
环境光与漫反射光结合
方程： I Ie Id Ia K a Ip K d (L N )
例子：
2020年9月28日
25
简单光照模型
镜面反射（Specular Reflection）
物体表面对入射光的反射 遵循反射定律
（1）反射光与入射光位于表面法向两侧 （2）理想反射面而言：入射角＝反射角 观察者在反射方向上看到反射光最强 高光：光滑物体表面在点光源的照射下形成一块特别亮 的区域