第10讲三维形体真实感显示

For（每一个三角形） {
1) 计算多边形顶点的平均法向； 2) 根据基本光照模型计算顶点的平均光强； 3) 通过线性插值，计算多边形的边上的各点光强； 4) 通过线性插值，计算多边形内部各点的光强。 }
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10.三维形体的真实感显示
1. 简单效果的浓淡图生成 2. 一般性效果图形生成 3. 真实感效果图生成
在简单光照明模型中，用一个常数来模拟环境光，用式子表 示为：
其中：Ia 为环境光的光强 Ka为物体对环境光的反射系数
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D）Phong光照明模型
综上分析，Phong光照明模型表述为：由物体表面上一点 P 反射到视点的光强 I 为环境光的反射光强 I e、理想漫反射 光强 I d、和镜面反射光 I s 的总和，即：
这里H为L和V的平分向量 ，即： H ＝（L＋V）/ | L＋V |
注意：Phong模型对物体表面的每一点的光强进行计算，显 然其计算量较大。 第10讲三维形体真实感显示
E）Phong模型计算实例
图中可以看出高光指数、漫反射及镜面系数对显示效果的影响
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Phong光照明模型是真实感图形学中提出的第一个有影响 的光照明模型，生成图象的真实度已达到可接受程度。
镜面反射光产生的高光区域只反映光源的颜色 将V和R都格式化为单位向量，镜面反射光强可表 示为：
式中：
对多个光源：
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图 镜面反射光
C）环境光
环境光是指光源间接对物体的影响，是在物体和环境之间多 次反射，最终达到平衡时的一种光。
近似地认为同一环境下的环境光，其光强分布是均匀的，它 在任何一个方向上的分布都相同。例如，透过厚厚云层的阳光就 可以称为环境光。
1) 全局关照模型 2) 光线跟踪 3) 辐射度算法
4. 纹理映射
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2. 一般性效果图形生成
1）简单光照明模型--Phong模型
简单光照明模型模拟物体表面对光的反射作用。 光源被假定为点光源，反射作用被细分为镜面反射 (Specular Reflection)和漫反射(Diffuse Reflection)。
1) 全局关照模型 2) 光线跟踪 3) 辐射度算法
4. 纹理映射
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1. 简单效果的浓淡图生成
1）单颜色填充多边形
算法思路：根据多面体表面的平面法矢决定颜色值， 直接调用OpenGL的多边形填充算法即可。
算法简单，但轮廓分明，各多边形之间过渡不光滑。
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I＝Ie＋Id＋Is
由此可得：
按R、G、B三种颜色分量展开计算得：
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用Phong模型进行计算时，对物体表面上每个点P，均 需计算光线的反射方向R，再由V计算（R·V），为减少计 算，可作如下假设：
a) 光源在无穷远处，即光线方向L为常数； b) 视点在无穷远处，即视线方向V为常数； c) 为避免计算反射方向R，用（H·N）代替（R·V），
不妨设： • 入射光强为Il
• 物体表面上点P 的法向为N • 从点P指向光源的向量为L • 两者间的夹角为
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图 漫反射
如果 Il 表示点光源的强度，kd
表示物体表面漫反射系数，则漫反
射方程可描述为：
IIlkdcos ( 0≤ ≤ π 2 )
图 漫反射
若N为物体表面的单位法向量，L为物体表面上一点
2）Gouraud模型
算法思想： 为使多边形边界之间光滑显示，先计算 多边形各顶点光强，后通过双线性插值，计算多边形内 各点光强。
能保证多边形边界颜色的连续性，但高光模糊，有时出现 过亮或过暗条纹（即马赫效应）。
计算较为简单，Op第e1n0讲G三L维算形体法真已实感实显现示 硬件加速。
算法步骤：
简单光照明模型只考虑物 体对直接光照的反射作用，而 物体间的光反射作用，只用环 境光(Ambient Light)来表示。
Phong模型是一种简单光照明模型 第10讲三维形体真实感显示
A） 理想漫反射
当光源来自一个方向时，漫反射光均匀向各方向传 播，与视点无关，它是由表面的粗糙不平引起的，因 而可假定漫反射光的空间分布是均匀的。
指向光源的单位矢有多个光源，则光强度计算式为：
n
I Ili(NLi) i1 第10讲三维形体真实感显示
B）镜面反射光
对于理想镜面，反射光集中在一 个方向，并遵守反射定律。
对一般的光滑表面，反射光集中 在一个范围内，且由反射定律决定的 反射方向光强最大。
图 镜面反射光
因此，对于同一点来说，从不同位置所观察到的镜面反 射光强是不同的。镜面反射光强可表示为：
Ks是与物体有关的镜面反射系数，a 为视线方向V与反射 方向R的夹角，n为反射指数，反映了物体表面的光泽程度， 一般为1～2000，数目第1越0讲大三维物形体体真表实面感显越示光滑。
镜面反射光将会在反射方向附近形成很亮的光斑， 称为高光现象。
在不考虑人的生理因素的情况下，物体的颜色与 光源颜色、物体表面物理特性、表面粗糙度、周边环 境等因素有关。 第10讲三维形体真实感显示
研究光照模型的目的：
确定物体表面的每一个多边形或者多边形中 的每一个点的颜色。
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10. 三维形体的真实感显示
1. 简单效果的浓淡图生成 2. 一般性效果图形生成 3. 真实感效果图生成
被物体吸收的部分转化为热。 颜色是人对光的生理反映，反射、透射的光进入 人的视觉系统，使我们能看见物体的颜色。 为模拟这一现象，我们建立一些数学模型来替代 复杂的物理模型。这些模型就称为明暗效应模型或者 光照明模型。
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在正常的情况下，光沿着直线传播，当光遇到介 质不同的表面时，会产生反射和折射现象，而且在反 射和折射的时候，它们遵循反射定律和折射定律。
10. 三维形体的真实感显示
1. 简单效果的浓淡图生成 2. 一般性效果图形生成 3. 真实感效果图生成
1) 2) 光线跟踪 3) 辐射度算法
4. 纹理映射
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光照效果影响因素
思考：我们所见物体的颜色是怎样形成的？ 影响观察物体颜色的主要因素有哪些？
当光照射到物体表面时，物体对光会发生反射、 透射、吸收、衍射、折射和干涉。