光照模型作业

光照模型

逄瑶瑶

（山东师范大学 2012级传媒学院数字媒体艺术，济南 250355 ）

摘要：计算机如何生成三维形体的真实图形是计算机图形学研究的重要内容之一，光照模型是真实感图形技术的重要组成部分，它主要研究的是如何根据光学物理的有关定律，采用计算机来模拟自然界中光照明的物理过程。本文通过对光源特性和物体表面特性、局部光照模型和整体光照模型的具体分析，完成对光照模型的系统阐述。

关键词：光源特性、局部光照模型、全局光照模型、真实感图形Abstract: how to generate a three-dimensional shape of the computer's graphics are an important part of research in computer graphics, lighting model is an important part of photorealistic graphics technology, it is mainly based on the study of how the relevant laws of optical physics, using computer simulation the physical nature of light illumination process. Based on the source characteristics and surface characteristics, specific analysis of partial illumination model and overall illumination model, complete illumination model describes the system.

Keywords: source characteristics, local illumination model, global illumination model, realistic graphics

1引言：真实感图形学作为一种图形生成技术，一直是计算机图形学研究的前沿领域，其中光照模型的研究对真实感图形的生成至关重要。物体表面的色彩和明暗变化主要和两个因素有关，即光源特性和物体表面特性。计算机图形学的光照模型分为局部光照模型和全局光照模型。

2光源特性与物体表面特性

2.1光源特性

（1）光的色彩

光的色彩一般用红、绿、蓝三种色光的组合来描述。三种色光按不通过比例合成便形成光的不同色相，因此，色光可视为坐标空间中由红（R）、绿（G）、蓝（B）三色光构成的一个点，表达式为： color_light=(I r，I g，I b)

其中I r，I g，I b分别为R，G，B三色光的强度。

（2）光的强度

光的强弱由RGB三色光的强弱决定，三色光在总光强中的权值各不相同。总的光强I为：

I=0.30

I r+0.59I g+0.11I b

由此可见，各色光对总光强的权值大小依次为0.30、0.59、0.11.

（3）光的方向

按照光的方向的不同，可以将光源进行分类，一般可以分为：点光源、分布式光源和漫射光源。

点光源分布式光源漫射光源2.2物体表面特性

（1）反射系数

物体表面的反射系数由物体表面的材

料和形状决定。反射系数分为漫反射(Diffuse Reflection) 系数和镜面反射(Specular Reflection)系数。

漫反射系数记为R d，表明当光射向物体表面时物体表面向各个方向漫反射

该光线的能力。R d可以分解为R d-r、

R d-g、R d-b，分别为物体表面对入射光

线中红、绿、蓝三种成分的反射能力。R d-r、R d-g、R d-b不同比例描述了物体

表面的色彩，R d介于0~1之间。

镜面反射系数记为W

（i），

表明物体表

面沿着镜面方向（与光线入射角度相同、方向相反）反射光线的能力。其中，i为入射角，即入射光线和表面

法线的夹角。物体的镜面反射系数是

入射角的函数。实验表明，镜面反射

光线的色彩，基本上是光源的色彩。

因此，物体表面的颜色，主要是由光

源的色彩和物体表面的漫反射系数来

模拟。在光线的照射下，光滑物体会

形成一片非常亮的区域，称为高光区域。物体表面光滑，高光区域小，亮

度很高；物体表面粗糙，高光区域大，亮度很低。

(2)透射系数

透射系数记为T P,用来描述物体透射

光线的能力，并且0≤T P≤1,当T P =1时，物体是完全透明的；当=0时，

物体是完全不透明的。

（3）表面光照

物体表面的方向用法线n来表示。多面体物体表面上每个多边形法线表示为n=(A,B,C).

其中A,B,C,是多边形平面方程中x,y,z 的系数。

3局部光照模型

局部光照模型是一种比较简单的光照模型，局部光照明模型只考虑光源直接照射到物体表面产生的光照效果, 物体基本不透明且各表面的反射率是常数. 局部光照明模型中, 物体表面的反射光分为漫反射光和镜面反射光; 漫反射光可以认为是光穿过物体表面被吸收后, 余下的重新向外各各方向均匀发射的光, 所以在任何方向的漫反射光强度都相同. 镜面反射光由入射光在物体的表面的直接反射, 镜面反射光沿镜面反射主方向最强, 主方向周围逐渐衰减, 形成一定的可观察区域.

局部光照模型是与光栅化渲染算法相适应的，光栅化算法一次只考虑一个像素点的光照强度，因此局部光照模型不能计算某像素受其他像素影响的光照强度部分。也就是说，局部光照模型只对物体进行直接光照的计算，而不考虑其他的间接影响。局部光照模型在决定到达观察者眼中的反射光的光照强度时只考虑到达表面的入射光线和表面法向。典型的局部光照模型包括Lambert漫反射模型，Phong 模型，改进的Blinn-phong模型和Cook-Torrance模型等。

3.1漫反射模型--- Lambert模型

3.11环境光是对光照现像的最简单抽象，因而局限性很大。它仅能描述光