计算机图形学课件第七章-真实感图形生成技术PPT资料41页

对于一个理想的镜面，入射到表面上的光严格地遵守光 的反射定律朝一个方向——镜面反射方向反射出去；对于 一般光滑表面，由于表面具有一定粗糙度，其表面实际上 是由许多朝向不同微小表面组成，其镜面反射光散布在反 射方向周围 。
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B．T．Phong1975年提出来用余弦函数的幂次来模拟镜面 反射光的空间分布，可表示为：
与漫反射不同，镜面反射光与物体颜色无关。
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7.2.4 Phong光照模型
综上所述，从视点观察到物体表面上任一点亮度I应为环境 光、漫反射光、镜面反射光的总和，即：
I＝Ie＋Id＋Is 即：
I＝Ie Ka＋Ip (Kd cosθ＋K s cosnφ)
当光源不只一个，而是有m个光源，则上式可写为：
m
IIK Ipi(K dcoi sK sco n is) i 1
环境反射 漫反射 镜面反射
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7.2.1 环境反射光 环境反射光是由于邻近物体所造成的光多次反射所产生
的，其光亮度可表示为： Ie=IaKa
式中 Ie----物体对环境光反射亮度； Ia----环境光亮度； Ka----物体表面对环境光反射系数（0≤Ka≤l）。
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7.2.2 漫反射光 漫反射光是由特定光源在物
Is＝IpKs cosnφ Is ——观察者接收到镜面反射光亮度； Ip ——入射光的亮度； φ ——镜面反射方向和视线方向的夹角； n ——镜面反射光的会聚系数
（与物体表面光滑度有关）一般取1～2000； Ks——镜面反射系统（与材料性质和入射光波长有关）。 表面越光滑，其镜面反射光会聚程度较高，n值较大。
第七章 真实感图形生成技术
7.1 概述
一、真实感图形定义
真实感图形的显示是使用计 算机产生同照片同样的黑白图像 或彩色图像。
计算机图形学研究目的最终 是用计算机生成图形，具有真实 感使物体和自然界中物体 相似， 包括颜色、纹理、明暗等。
第七章 真实感图形生成技术 7.1 概述 7.2 简单光照模型 7.3 明暗处理方法 7.4 阴影生成方法 7.5 整体光照模型和光线跟
体表面反射光中那些向空间各方 向均匀反射出去的光。设物体表 面在P点法线为N，从P点指向光 源的向量为L，两者夹角为θ。 于是，点P处漫反射光的强度为：
Id =Ip kd cosθ 式中 Id ——表面漫反射光的亮度；
Ip ——入射光的光亮度； kd——漫射系数 0≤Kd ≤l； θ——入射光线与法线间夹角，0≤θ≤π/2。
当物体表面垂直于入射光方向时（N、L方向一致）看上 去最亮。当θ越来越大，接近900时，则看上去越来越暗。
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7.2.3 镜面反射光 上面讨论漫反射是一个粗糙无光泽表面，如粉笔。如
果一个点光源照射到一个抛光的金属球时，在球上形成一 块特别亮的区域，呈现所谓“高光”。它是光源在金属球面 上产生的镜面反射光。
因此，用平面多面体来逼近弯曲表面形体。对于平 面多边形来说，由于它的每个表面都是平面，而在同一 平面上，任一点法线都是一样，因此，只要用一个固定 的强度值来表示面上所有点（即整个面）的明暗程度就 可以了，这样使得计算工作大为简化。
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7.3.1 概述
7.3 明暗处理方法
为了不使光强度急剧变化，我们用下面两种方法。
踪算法 7.6 纹理处理方法 7.7 图形颜色和颜色模型
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二、真实感图形应用 1、产品外形设计 2、飞行驾驶模拟训练 3、动画制作、城市规划、医学气象等
三、真实感图形特点 1、反映物体表面颜色和亮度 2、表现物体质感 3、能通过光照下物体的阴影， 改善场景的深度感和层次感 4、能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜像 效果
Ir ＝Ia Kar ＋Ip [Kdr (L·N)＋Ks (R·V) n] Ig ＝Ia Kag＋Ip [Kdg(L·N)＋Ks (R·V) n] Ib ＝Ia Kab＋Ip [Kdb (L·N)＋Ks (R·V) n]
上式中镜面反射光一项对三个式子都是一样。
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7.3 明暗处理方法
7.3.1 概述
明暗处理就是使物体表面光 第七章 真实感图形生成技术
强度强弱表现。
7.3 明暗处理方法
上一节介绍了简单照明模型， 7.3.1 概述
只要知道物体表面某一点的法线 7.3.2 哥罗德强度插值法
就可以算出该点反射光强度。
7.3.3 Phong法向插值法
对于表面是弯曲的形体，计算出曲面每一点法线，然 后再按照模型来计算每一点明暗程度，计算工作量太大。
1、哥罗德（Gouraud）强度插值法 2、冯（Phong）法向插值法
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7.3.2 哥罗德（Gouraud）强度插值法 1、计算多边形每个顶点法向量
求出与该顶点相邻的多面体各面的法向平均值，作为 该顶点法向。如图P点法向量为：
Np=(N1+N2+N3)/3 其中N1、N2、N3分别是以 P为公共顶点…Im
光照在物体表面上有三种情况： 1、反射光：光通过物体表面被反射； 2、透视光：对于透明物体光穿过该物体而从另端射出 3、光被物体吸收而变成热。
我们视觉效果是反射光和透视光。
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下面讨论不包含透射光的简单光照模型。
假设物体不透明，那么物体表面呈现的颜色仅由其反射光 决定，通常人们把反射光考虑成三个分量的组合，这三个 分量分别是：
这就是简单光照模型。
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令L为入射光方向单位矢量，N为表面 法线单位矢量，R为反射光方向单位矢 量，V为视线方向单位矢量，如图，则 余弦函数可用矢量点积来表示，即
(L·N) =cosθ (R·V)=cos φ 即
I＝Ia Ka＋Ip [Kd (L·N)＋K s (R·V) n]
对于彩色显示，可把光源分成红、绿、蓝(R·G·B） 三基色光，对每一基色分别用相应算式来计算， 即
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四、影响真实感图形因素 1、物体本身形状 2、物体表面特征：材质、感光度，纹理等 3、照射物体光源 4、物体与光源相对位置 5、物体周围环境
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7.2 简单光照模型
一个物体表面为什么会出现 明暗、颜色等，主要由于物体发 光达到人眼的结果。
第七章 真实感图形生成技术 7.2 简单光照模型 7.2.1 环境反射光 7.2.2 漫反射光 7.2.3 镜面反射光 7.2.3 Phong光照模型