《计算机图形学》09-真实感图形生成技术PPT精品课件

照射后会表现出特有的光泽，如一个点光源照射一个金
属球时会在球面形成一块特别亮的区域，呈现所谓的 “高
光”。这实质是光源在金属球面上产生的镜面反射光。
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二 .镜面反射为朝一定方向的反射光，它遵守光的反射定律 ，反射光和入射光对称地位于表面法向的二侧。
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
第九章 真实感图形生成技术
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9.1 引言
真实感图形的绘制是计算机图形学的一个重要组成部分， 它综合利用了数学、物理学、计算机科学和其它科学知识，在 计算机图形设备上生成象彩色照片那样的真实感图形。 一. 真实感图形的生成步骤
★初始数据的输入 ★图形变换 ★消隐和裁剪 ★辉度计算 根据基于光学物理的光照模型，计算可见面投射到观察者 眼中的光亮度大小和色彩分量，并将它转换成适合图形设备的 颜色2021值/3/1，从而确定投影面上每一象素的颜色，最终生成图形2。
一般我们假定入射光均为白光。
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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，反射光由三个分量组成，分别是环境反射、漫 反射和镜面反射。
环境反射分量是假设入射光均匀地从周围环境入射至
物体表面，并等量地向各个方向反射出去，因此也可以
看成是一种漫反射光，且只占一般漫反射光的很小一部
• 分类：
RGB：加性颜色系统。 CMY：减性颜色系统。 HSV：对应于画家配色方法。 2021/H3/1LS：色度、亮度、饱和度来描述一个象素的颜色。 4
三. 光照模型
1.简单的光照模型 仅考虑光源照射到物体表面产生的反射光，所生成的图形可以
模拟出不透明物体表面的明暗程度，具有一定的真实感。
2.复杂的光照模型 除了考虑上述因素之外，还要考虑周围环境光对物体表面的影
其中，[R]、[G]、[B]分别为红基色单位、绿基色单位和兰基
色单位，R、G、B分别表示合成颜色F时所需红、绿、兰三刺激值
的大20小21/。3/1
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2.常用的颜色模型 • 含义：
在某个三维颜色空间中的一个可见光子集，它包含某个域 的所有颜色。
• 用途： 在某个颜色域内方便地指定颜色，采用定量方法描述彩色 信息。
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四. 法线、视线和光源矢量 phong模型中，R0，G0，B0，d，ω，n等参数都是根据作图 的需要人为规定的，所以关键是计算cosθ和cosα。而θ和α角都 是一些矢量间的夹角。因此，真实感图形生成中的一个重要问 题就是物体表面法矢、视线方向矢量和光源方向矢量的计算。
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θ
θ为光线入射角
朗伯余弦定律说明了当观察一个漫反射体时，人眼接收到的
光亮20度21/3和/1 观察者的位置无关。
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由于假定环境反射分量基于均匀入射的漫射光，因 此可以用一常数来表示。则
I漫＝Ipa ＋ IpdCOSθ Ipa为环境反射分量，一般取（0.02－0.2)Ipd。 对于某些物体,如擦亮的金属，光滑的塑料等，受光
分布： I镜＝IpsCOS nα
其中： I镜为观察者接收到的镜面反射光亮度 Ips为镜面反射方向上的镜面反射光亮度 α为镜面反射方向和视线方向的夹角
观察者
Ips α
BA
光源
n 为物体表面光泽度
上式表明，投向观察者的镜面反射光不仅取决于入射光，而
且和2观021/察3/1 者的ຫໍສະໝຸດ Baidu察方向有关。
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三. phong模型
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1．三角形面片的法矢 设有一三角形面片，其顶点顺序按逆时针方向标识，其三个顶
点坐标分别表示为p1（x1，y1，z1）、p2（x2，y2，z2）、p3（x3， y3，z3）。
若设三角形面片的法线矢量为 N(nx，ny，nz)
则 N＝P2P1×P2P3 nx＝∑3(yi－yj)(zi＋zj)
i=1
响。它可以模拟出镜面映象、透明、纹理等，可使绘制的图形更 逼真。
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9.2 简单光照模型
当光照射到物体表面上时，会出现三种情况： ① 光可以通过物体表面向空间反射，产生反射光。 ② 对于透明体，光可以穿透该物体并从另一端射出，产生透 射光。 ③ 部分光将被物体表面吸收而转换成热。
物体表面的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色彩。物体 表面反射光和透射光的强弱和色彩组成又决定于入射光和物体表面 对入射光中不同波长光的吸收程度。
分。
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一. 漫反射分量表示特定光源在物体表面产生的反射光中，那 些向空间各个方向均匀反射出去的光。
朗伯余弦定律：对于一个漫反射体，其表面的反射光亮度和光
源入射角(入射光线与表面法向量的夹角)的余弦成正比。
即：I漫＝IpdCOSθ
光源
其中 ：I漫为表面反射光亮度
Ipd
Ipd为光线垂直入射时反射光亮度
phong模型便可表示如下
I I 环 ( I 漫 I 镜 )
上式中的I均为光谱量。为避免光谱计算，可将其转换到
光栅图形显示器的RGB三基色系统。这样，phong模型可表示
成：
R R1
1 R1
G
G1
cos
n
1
G1
B B1
1 B1
R1
R0
G1
d
(1
d
)
cos
G0
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B1
B0
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式中：0≤R0，G0，B0≤1，分别为物体颜色的R、G、B值； d 是背景光的比率，也就是环境反射分量系数， 一般取d《1 （0.02～0.2之间）； θ是光源和法线间的夹角（入射角）； α是视线和反射光间的夹角； ω是反射强度（0≤ω≤1）； n是物体表面光泽度。
该公式表明，一旦物体的基本颜色以及各种反射光的比例确 定，那么从景物表面上某点到达观察者的反射光强弱就仅仅与 光源入射角θ和视角α有关。
二. 颜色
1.三基色原理 三基色的条件是：这三种颜色中任意二种的组合都不能产生第 三种颜色，这三种基本颜色就称之为三基色。最常用的三基色 是红色(Red)、绿色(Green)、兰色(Blue)。 由配色实验可知，标准白光的配色方程为：
F白＝1[R]＋1[G]＋1[B]
任意彩色光的配色方程为：
F＝R[R]＋G[G]＋B[B]
ny＝∑3 (zi－zj)(xi＋xj)
i=1
nz＝∑3 (xi－xj)(yi＋yj)