真实感图形绘制
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第10章 真实感图形绘制
提出问题
• 真实感图形绘制： 通过综合利用数学、物理学、计算机以及心理学 等知识在计算机图形输出设备上绘制出能够以假 乱真的美丽景象。
2020/12/13
华中理工大学计算机学院 陆枫 99-
1
7
第10章 真实感图形绘制
用计算机生成三维场景的真实图形，需完成步骤： (1)在计算机中进行场景造型； (2)进行取景变换和透视变换； (3)进行消隐处理； (4)进行真实感图形绘制
3. 在多边形表面上将顶点强度进行线性插值。
2020/12/13
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10.2.3 Phong明暗处理
Phong明暗处理方法由PhongBuiTuong提出，又称为法矢 量插值明暗处理，它对多边形顶点的法矢量进行插值 以产生中间各点的法矢量。
Phong明暗处理的基本步骤是： 1. 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量。 2. 用双线性插值方法求得多边形内部各点的法矢量。 3. 最后按光照模型确定多边形内部各点的光强。
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入射光 L
i
r
N i i
反射光 R
折射光 r
T
图 10-15 光 的 折 射
2020/12/13
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10.4 产生阴影
从理论上来说，从视点以及从光源看过去都 是可见的面不会落在阴影中，只有那些从视 点看过去是可见的，而从光源看过去是不可 见的面，肯定落在阴影之内。
2020/12/13
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习题
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10.1.1 环境光
P
图 10-1 环 境 光 的 反 射
P点对环境光的反射强度为
Ie IaKa
2020/12/13
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10.1.2 漫反射光
图10-2 点光源发射的光线路径
2020/12/13
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点光源
N
L
P
图 10-3 漫 Leabharlann Baidu 射
N 点光源
观察点
L
R
V
P
图 10-4 镜 面 反 射
镜面反射情况由Phong模型给出：
Is IpKscons
2020/12/13
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若R和V已规格化为单位矢量，则：
Is IpKs(RV)n
从视点观察到物体上任一点P处的光强度I应为环境光 反射光强度Ie、漫反射光强度Id以及镜面反射光的光强 度Is的总和：
2020/12/13
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10.6.3 光线跟踪反走样
将光线跟踪算法与过采样方式结合起来，可归纳如下： 1. 对每一象素的角点计算光线跟踪的光强。 2. 比较象素四个角点的光强，确定要进行细分的象素。 3. 对细分后新增的角点计算光线跟踪的光强。然后，
重复2.和3.，直到各角点的光强比较接近为止。 4. 加权平均求出投影平面上各象素点的光强。
IIeIdIs IaKaIpKd(LN)IpKs(RV)n
2020/12/13
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10.1.4 光强衰减
一个常用的二次衰减函数可以表示为：
f(d)m1 i,nc0(c1d1c2d2)
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10.1.5 颜色
2020/12/13
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真实感图形绘制 即根据假定的光照条件和景物外观因素，依据 一定的光照模型，计算可见面投射到观察者眼 中的光强度大小，并将它转换成适合图形设备 的颜色值，生成投影画面上每一个象素的光强 度，使观察者产生身临其境的感觉。
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10.3 透明处理
入射光
入射光
反射光 折射光
透明景物
图10-13 透明表面的光强包括反射光和折射光
2020/12/13
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不透明景物 B
A
透明景物
z
P
x
图 10-14 简 单 透 明 的 处 理
2020/12/13
为产生彩色的场景，要完成如下两步： 一是选择一个合适的颜色模型； 二是为颜色的三个分量分别建立光照模型。
2020/12/13
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10.2 基于简单光照模型的多边形绘制
10.2.1 恒定光强的多边形绘制
只用一种颜色绘制整个多边形：任取多边形上 一点，利用简单光照模型计算出它的颜色，该 颜色即是多边形的颜色。
22
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10.5.1 用多边形模拟表面细节
简单地模拟景物表面细节的方法是用多边 形，称为表面图案多边形，来模拟纹理的 结构和模式。
2020/12/13
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10.5.2 纹理的定义和映射
纹理空间 (s,t)数组坐标
物体空间 (u,v)表面参数
象素空间 (x,y)象素坐标
2020/12/13
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10.2.2 Gouraud明暗处理
Gouraud明暗处理方法，又称为亮度插值明暗处理，它通 过对多边形顶点颜色进行线性插值来绘制其内部各点。
用Gouraud明暗处理来进行多边形绘制时需进行三个步骤： 1. 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量 2. 对每个顶点根据简单光照模型来计算其光强。
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10.6.2 光线跟踪算法
y 投影平面
x
z
图 10-21 光 线 跟 踪 算 法
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B TB
RA A
TC
RB
C
RC
TA
A
RA
TA
B
RB TB C
RC TC
(a) 光线在景物中反射和折射
(b) 二叉光线跟踪树
图10-22 光线跟踪及光线跟踪树
Ip(IpR ,IpG ,IpB )
IdR I pR KdR (L N ) IdG I pG KdG (L N ) IdB I pB KdB (L N )
有多个点光源：
n
Id Ip,iKd(Li N) i1
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10.1.3 镜面反射光
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10.5.3 凹凸映射
1978年，Blinn提出了一种无需修改表面几何模 型，即能模拟表面凹凸不平效果的有效方法— —凹凸映射技术(Bump Mapping)。
2020/12/13
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10.6 整体光照模型与光线跟踪
10.6.1 整体光照模型
能同时模拟光源和环境照明效果的光照模型称 为整体光照模型。整体光照模型的典型代表是 Whitted模型及辐射度模型。
纹理和表面变换
观察和投影变换
图10-16 纹理映射中纹理空间、物体空间和象素空间的变换
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纹理映射变换的逆变换
观察投影变换的逆变换
纹理模式
物体表面
图10-17 由象素空间向纹理空间的映射
象素区
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10.6.2 WhitRted光照模N型
V 视点
T
图 10-20 物 体 表 面 的 镜 面 反 射 和 透 射
Whitted光照模型： IIloc a K s lIsK tIt
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10.5 模拟景物表面细节
颜色纹理：通过颜色色彩或明暗度的变化体现 出来的表面细节。 几何纹理：由于不规则的细小凹凸造成的。 颜色纹理取决于物体表面的光学属性，而几何 纹理由物体表面的微观几何形状决定。
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由Lambert余弦定理可得点P处漫反射光的强度为：
IdIpKdco,s[0,2]
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点光源
N
L
P
图 10-3 漫 反 射
若L和N都已规格化为单位矢量，则：
Id IpKd(LN)
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彩色：
提出问题
• 真实感图形绘制： 通过综合利用数学、物理学、计算机以及心理学 等知识在计算机图形输出设备上绘制出能够以假 乱真的美丽景象。
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第10章 真实感图形绘制
用计算机生成三维场景的真实图形，需完成步骤： (1)在计算机中进行场景造型； (2)进行取景变换和透视变换； (3)进行消隐处理； (4)进行真实感图形绘制
3. 在多边形表面上将顶点强度进行线性插值。
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10.2.3 Phong明暗处理
Phong明暗处理方法由PhongBuiTuong提出，又称为法矢 量插值明暗处理，它对多边形顶点的法矢量进行插值 以产生中间各点的法矢量。
Phong明暗处理的基本步骤是： 1. 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量。 2. 用双线性插值方法求得多边形内部各点的法矢量。 3. 最后按光照模型确定多边形内部各点的光强。
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入射光 L
i
r
N i i
反射光 R
折射光 r
T
图 10-15 光 的 折 射
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10.4 产生阴影
从理论上来说，从视点以及从光源看过去都 是可见的面不会落在阴影中，只有那些从视 点看过去是可见的，而从光源看过去是不可 见的面，肯定落在阴影之内。
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习题
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10.1.1 环境光
P
图 10-1 环 境 光 的 反 射
P点对环境光的反射强度为
Ie IaKa
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10.1.2 漫反射光
图10-2 点光源发射的光线路径
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点光源
N
L
P
图 10-3 漫 Leabharlann Baidu 射
N 点光源
观察点
L
R
V
P
图 10-4 镜 面 反 射
镜面反射情况由Phong模型给出：
Is IpKscons
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若R和V已规格化为单位矢量，则：
Is IpKs(RV)n
从视点观察到物体上任一点P处的光强度I应为环境光 反射光强度Ie、漫反射光强度Id以及镜面反射光的光强 度Is的总和：
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10.6.3 光线跟踪反走样
将光线跟踪算法与过采样方式结合起来，可归纳如下： 1. 对每一象素的角点计算光线跟踪的光强。 2. 比较象素四个角点的光强，确定要进行细分的象素。 3. 对细分后新增的角点计算光线跟踪的光强。然后，
重复2.和3.，直到各角点的光强比较接近为止。 4. 加权平均求出投影平面上各象素点的光强。
IIeIdIs IaKaIpKd(LN)IpKs(RV)n
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10.1.4 光强衰减
一个常用的二次衰减函数可以表示为：
f(d)m1 i,nc0(c1d1c2d2)
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10.1.5 颜色
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真实感图形绘制 即根据假定的光照条件和景物外观因素，依据 一定的光照模型，计算可见面投射到观察者眼 中的光强度大小，并将它转换成适合图形设备 的颜色值，生成投影画面上每一个象素的光强 度，使观察者产生身临其境的感觉。
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10.3 透明处理
入射光
入射光
反射光 折射光
透明景物
图10-13 透明表面的光强包括反射光和折射光
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不透明景物 B
A
透明景物
z
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图 10-14 简 单 透 明 的 处 理
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为产生彩色的场景，要完成如下两步： 一是选择一个合适的颜色模型； 二是为颜色的三个分量分别建立光照模型。
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10.2 基于简单光照模型的多边形绘制
10.2.1 恒定光强的多边形绘制
只用一种颜色绘制整个多边形：任取多边形上 一点，利用简单光照模型计算出它的颜色，该 颜色即是多边形的颜色。
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10.5.1 用多边形模拟表面细节
简单地模拟景物表面细节的方法是用多边 形，称为表面图案多边形，来模拟纹理的 结构和模式。
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10.5.2 纹理的定义和映射
纹理空间 (s,t)数组坐标
物体空间 (u,v)表面参数
象素空间 (x,y)象素坐标
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10.2.2 Gouraud明暗处理
Gouraud明暗处理方法，又称为亮度插值明暗处理，它通 过对多边形顶点颜色进行线性插值来绘制其内部各点。
用Gouraud明暗处理来进行多边形绘制时需进行三个步骤： 1. 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量 2. 对每个顶点根据简单光照模型来计算其光强。
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10.6.2 光线跟踪算法
y 投影平面
x
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图 10-21 光 线 跟 踪 算 法
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B TB
RA A
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RB
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A
RA
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B
RB TB C
RC TC
(a) 光线在景物中反射和折射
(b) 二叉光线跟踪树
图10-22 光线跟踪及光线跟踪树
Ip(IpR ,IpG ,IpB )
IdR I pR KdR (L N ) IdG I pG KdG (L N ) IdB I pB KdB (L N )
有多个点光源：
n
Id Ip,iKd(Li N) i1
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10.1.3 镜面反射光
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10.5.3 凹凸映射
1978年，Blinn提出了一种无需修改表面几何模 型，即能模拟表面凹凸不平效果的有效方法— —凹凸映射技术(Bump Mapping)。
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10.6 整体光照模型与光线跟踪
10.6.1 整体光照模型
能同时模拟光源和环境照明效果的光照模型称 为整体光照模型。整体光照模型的典型代表是 Whitted模型及辐射度模型。
纹理和表面变换
观察和投影变换
图10-16 纹理映射中纹理空间、物体空间和象素空间的变换
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纹理映射变换的逆变换
观察投影变换的逆变换
纹理模式
物体表面
图10-17 由象素空间向纹理空间的映射
象素区
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10.6.2 WhitRted光照模N型
V 视点
T
图 10-20 物 体 表 面 的 镜 面 反 射 和 透 射
Whitted光照模型： IIloc a K s lIsK tIt
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10.5 模拟景物表面细节
颜色纹理：通过颜色色彩或明暗度的变化体现 出来的表面细节。 几何纹理：由于不规则的细小凹凸造成的。 颜色纹理取决于物体表面的光学属性，而几何 纹理由物体表面的微观几何形状决定。
2020/12/13
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由Lambert余弦定理可得点P处漫反射光的强度为：
IdIpKdco,s[0,2]
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点光源
N
L
P
图 10-3 漫 反 射
若L和N都已规格化为单位矢量，则：
Id IpKd(LN)
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彩色：