第9章 phong光照模型

光谱量对应的颜色可由用户直接指定 一旦反射光中三种分量的颜色以及它们的系数ka, kd 和ks 确 定之后，从景物表面上某点达到观察者的反射光颜色就仅仅 和光源入射角和视角θ有关，
因此，Phong模型实际上是纯几何模型。
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在实际应用中，为了减小计算量，可采用下面的方法 计算cosi和cosθ 。 设L0，N0，R0，V0是与L，N，R，V相应的单位向量，则
9.1.2
材 质
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材质的颜色是由它所反射的光的波长决定 如果光线被投射至一个不透明的物体表面，则部分 光线被反射，部分被吸收
物体表面的材质类型决定了反射光的强弱 表面光滑较亮的材质将反射较多的入射光，而较 暗的表面则吸收较多的入射光。 同样对于一个半透明物体的表面，部分入射光会被 反射，而另一部分则被折射。
漫反射与镜面反射
漫反射分量和镜面反射分量则表示特定光源 照射在景物表面上产生的反射光。
1. 环境反射光
反射所产生的。
光是来自四面八方的。
这种光产生的效应简化为它在各个方向都有均匀的光 强度Ia，
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环境反射光是由环境光在邻近物体上经过多次
某一个可见物体在仅有环境光照明的条件下， 其上各点明暗程度完全一样，分不出哪个地方亮， 哪个地方暗。
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根据光学、物理学的知识，物体表面呈现的颜色是 由表面向视线方向辐射的光能决定的。
若物体表面向视线方向辐射的光中等量包含了所有波 长的可见光， 则物体表面将呈现白色、灰色或黑色，即为非彩色； 否则表面将呈现彩色。
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当光照到一个物体表面上时会产生反射光、透射光 和转换成热量。 其中，反射光和透射光的强弱决定了物体表面的明 暗程度， 而这些光中所含不同波长光的比例则决定了物体表 面的颜色。
由于C和C’的光源入射角为90。，故其表面光亮度为零。 球面的明暗过渡曲线如图 (b)所示
N0:物体表面单位法向量
N i 入射光 N0 L0 N A
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L0:物体表面一点指向点 光源的单位向量
L0 i N0
漫反射光计算式
I d I pd k d cosi
可表示为:
须完成四个基本的任务
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建模
投影变换
可见性计算
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可见面颜色
用数学方法建 立所构造三维 场景的几何描 述，并将他们 输入计算机， 这部分工作可 由三维立体造 型或曲面造型 系统来完成
将三维几 何描述转 化为二维 透视图， 这可通过 对场景的 透射变化 来完成
确定场景中 的所有可见 面，这需要 使用隐藏面 消除算法将 视域之外或 被其他物体 遮挡的不可 见面消去。
光源的几何形状 点光源，线光源，面光源和体光源 光源向四周所辐射光的光谱分布 漫反射: 粗糙物体表面往往将反射光向各个方向散射。物 体颜色实际上就是入射光线被漫反射后所表现出 来的颜色。 镜面反射:磨光物体表面产生的高光或强光 空间光亮度分布 在计算机图形学中，认为光源通常朝空间各个方 向发射的光强是相同的。但实际情况常常不是这样， 例如遮挡。
光照明模型
简单光照明模型
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仅考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照 效果
景物表面通常被假定为不透明，且具有均匀反 射率
能表现由光源直接照射在漫射表面上形成的连 续明暗色调，镜面上的高光以及由于景物互相遮 挡而形成的阴影等
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光照明模型
其镜面反射光分布于表面镜面反射方向的周围
常采用余弦函数的幂次来模拟一般光滑表面的 镜面反射光的空间分布
N
入射光 反射光
入射光
N
反射光
n大
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n小
一般光滑平面 (b)
纯镜面 (a)
图 镜面反射
采用余弦函数的幂次来模拟一般光滑表面的镜面反射光的空间分布。
I s I ps k s cosn
光照效果
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光照明模型
一个光照的球体
光照产生的场景
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9.1.3 简单光照明模型
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。
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反射光组成
环境反射
环境反射假定入射光均匀地从周围环境入射 至景物表面并等量地向各个方向反射出去
•可用光的波长(λ)或频率（f）来表示各种颜 色。
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除频率和波长以外，描述光的各种性质还 需要其它一些特征。其中一组特征便是亮 度和明度。 物体表面的亮度与其周围环境的亮度无关。 表面的明度即人眼感知到的亮度与其周围 环境的亮度相关。
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具有恒定亮度的物体，当 将其置于不同环境时，它 的明度不同。
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光的另外一个特征就是光 的纯度（Purity）或叫饱 和度(Saturation)。 纯度说明光的颜色表现得 多纯。 淡的颜色说明不太纯。
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颜色模型
所谓颜色模型指的是某个三维颜色空间中的一个可 见光子集，它包含某个颜色域的所有颜色。 采用颜色模型的目的是在某个颜色域中方便的指定 颜色。
cosi ( L0 N 0 )
cos ( R0 V0 )
R0 2 cosi N 0 L0
N0
i
N
L0
L0
2 cos i N 0
R0
V0
i
COS i N 0 L0
图 R0的表示
在实际使用中,由于cosθ =(R0·V0)有时常用(N0·H0) 来代替。 H0为沿L和V的角平分线的单位向量,可理解为朝观察 方向产生镜面反射的虚拟表面的法向量, H和表面的实际法向量N之间的角度反映了射向观察 者的镜面反射光的大小。 Phong模型成为
漫反射系数/镜面反射系数
4. Phong模型
I I pa ka I p (kd cosi k s cosn )
当光源有多个时，则上式可写为：
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I I pa ka ( I pd kd cosi I ps ks cosn )
ka 环境反射系数 kd漫反射系数 ks镜面反射系数
计算波长比例要涉及到光谱分析和光谱到颜色的转换， 在计算机图形学中，我们不用这种方法来计算，而是 采用较为简单的方法来计算物体的颜色值。也就是一 些简单的光照模型。
光的特性
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可见光波段中每一频率对应一种单独的颜色, 其低频率端是红色,高频率端是紫色 。从低 频到高频的光谱颜色变化分别是红，橙，黄， 绿，蓝，青和紫。
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环境反射光亮度可表示为：
I I pa ka
Ia为物体的环境光反射亮度，
Ipa为环境光亮度，
ka为物体表面的环境光反射系数(0≤ka≤1)
2. 漫反射光
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漫反射分量表示 特定点光源 在景物表面某一点
的反射光中那些向空间各方向均匀反射出去的光， 表面对入射光在各个方向上都有强度相同的反 射，因而无论从哪个角度观察，这一点的光亮度 都是相同的。
当视点取在镜面反射方向附近时，观察者接受到 的镜面反射光较强，而偏离这一方向观察时，镜面 反射光就会减弱甚至消失。
镜面反射光的会聚指数n
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Ips Ipscosnθ θ θ D E‘ E’
光亮度 Ipd
E
D
E’
(a)
(b)
图 Phong光照明模型用于光滑球面时的情形
Is 为观察者接受到的镜面反射光亮度 Ips为入射光的光亮度， θ为镜面反射方向和视线方向的夹角，介于0o到90o之间 n为镜面反射光的会聚指数(与物体表面光滑度有关)
ks为镜面反射系数(与材料性质和入射光波长有关)。
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镜面高光指数
较光滑的物体表面（如金属、玻璃等）
计算场 景中可 见面的 颜色。
9.1.1 光 源
光源称为发光体
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反射表面(如房屋的墙壁)则称为反射光源
光源
反射面
通常在一个不透明且不发光的物体表面所观察到的 光线是其反射光，它由光源与其他物体表面的反射 光所共同产生
光源的属性包括
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N i R θ P 图 Phong模型计算中涉及的各方向向量 V L
∑表示对所有特定光源求和
kd+ks=1
简单光照明模型(Phong模型)
Phong模型
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I ka I pa kd I pd cosi ks I ps cosn


基于RGB三基色颜色系统的Phong模型
Ipd
Ipdcosi i
B C
A
B’
C’
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这种反射光的计算用郎伯余弦定律
对于一个漫反射体，表面的反射光亮度和光源 入射角（入射光线和表面法向量的夹角）的余 Ipd 弦成正比
I d I pd k d cosi
Id为物体表面漫反射光的光亮度 i为光源入射角 kd 为漫射系数，决定于表面材料及入射 光的波长(0≤kd≤1)
光强的空间分布较集中，高光范围较小 宜取较大的值（大于100或更大）
粗糙的物体表面（如纸张、木材、粉笔等）
光强的空间分布较分散，高光范围较大 宜取较小的值（小于或接近于1）
镜面反射的视点相关性
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投向观察者的镜面反射光不仅决定于入射光，而 且和观察者的观察方向有关。
RGB模型
Ｒ、Ｇ、Ｂ分别取值0－1，0－255
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ＲＧＢ彩色模型也称为加色模型, 色彩来源于红、绿、蓝3种基本 色的不同亮度的叠加,故称加色 模型。 它主要用来描述发光设备,如显 示器、电视机、扫描仪等装置所 表现的颜色。
三基色示意图
9.1 简单光照明模型
用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感图形必
rpd rpa rps r g k g k g cosi k g cosn d pd a pa s ps b pd b pa b ps b
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第九章
简单光照明模型
光照模型：
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根据光学物理中的有关定律，计算出景物表面上任一点投向观 察者眼中的光亮度的大小和色彩组成的公式，从而在显示器上 生成所显示的真实感图形。
生成连续色调的真实感图形的四个主要步骤：
用数学方法建立所构造三维场景的几何描述，并 将它们输入计算机。（造型） 将三维几何描述转换为二维透视图。（投影） 确定场景中的所有可见面。（消隐） 计算场景中可见面的颜色。（光照）
I d I pd kd ( N 0 L0)
3. 镜面反射光
镜面反射光为朝一定方向的反射光。
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根据 光的反射定律 ，反射光和入射光对称地分 布于表面法向的两侧。 对纯镜面，入射至表面面元上的光严格地遵循 光的反射定律单向反射出去,反射角与入射角相等。
入射光
反射光
纯镜面 (a)
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N
R L
N
N
R
L
V L
R
P
P
P
理想镜面反射
一般光滑表面镜面反射
粗糙表面的镜面反射
N 入射光 反射光
入射光
N
Computer 反射光 Graphics
n大 n小
纯镜面 (a)
图 镜面反射
一般光滑平面 (b)
一般光滑表面： 表面实际上是有许多朝向不同的微小平面组成
Ipdcosi i
B C A B’ C’
Ipd为光源垂直入射时反射光的光亮度
球面的漫反射
Ipd
光亮度
Ipd
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Ipdcosi
i
B C
A
B’
C’
C
B
A
B’
C’
(a) 简单漫反射模型用于球面
(b)
由于A点的光源入射角为零,故发出的光亮度最大(为Ipd)
而B和B’的光亮度就弱些。