真实感图形绘制技术

光源的照射角
只有在光源照射范围之
内的空间点可以被光照 到
环境光
是指光源间接对物体的影响，是在物体和环境之间多
次反射，最终达到平衡时的一种光。 我们近似地认为同一环境下的环境光，其光强分布是 均匀的，它在任何一个方向上的分布都相同，即在任 何位置、任何方向上强度一样,记为Ia 在分布均匀的环境光照射下，不同物体表面所呈现的 亮度未必相同，因为它们的环境光反射系数不同，环 境光反射系数记为Ka 。
对象空间：三维场景的描述空间 对象空间法：在物体描述空间中，根据物体的
几何关系计算物体的哪些部分可见，其目的是 消去那些不可见的面或面的不可见部分 例如：以空间中的三维平面作为分析对象，通 过比较各平面的参数来确定它们的可见性
表优先级算法、BSP算法、Weiler-Atherton算
m i 1
K a I a f i I p [ K d ( Li N ) K s (V Ri ) n ]
i 1
m
Phong模型特点分析
模型简单，便于实时绘制 是一个经验模型，可以达到一定的真实度
还具有以下的一些问题 用Phong模型显示出的物体像塑料，没有质感 环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光 镜面反射的颜色是光源的颜色，与物体的材料无关 镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真
（一）消隐技术
表优先级算法（画家算法）
1. 将屏幕置成背景色 2. 构造物体组成面的深度优先级表：把物体的各个面按
其离视点的远近进行排序，离视点远的在表头，离视 点近的在表尾 3. 由远到近进行绘制：从表头至表尾逐个取出多边形， 投影到屏幕上，显示多边形所包含的实心区域。
由后显示的图形取代先显示的画面，而后显示的图形
I t I p * cos
I p s n sn
无限远光源
光源位置处于无限远处 入射光线平行：平面上任意一点的
入射角相同 模型参数：
光强 入射角
点光源
局部光源
用相关角度来模拟定向
光束的光照特征 模型参数：
位置
方向 光强 照射角
照射方向 点光源
N
反射光 R
镜面高光系数 n的影响效果
入射光 L N=10,30,50
n = 15
n=5
n=1
n 常规取值 5~20
光照效果比较
简单光照模型
简单光照模型
简单光照明模型模拟物体表面对光的反射作用。
光源被假定为点光源，
反射作用被细分为镜面反射(Specular Reflection)和
理想镜面反射
反射光与入射光位于表面法
向两侧 理想反射面而言：入射角＝ 反射角 观察者只有在反射方向上才 能看到反射光
非理想镜面反射
对一般的光滑表面，反射光集中在一
入射光 L
反射光 R N
个范围内， 由反射定律决定的反射方向光强最大。 对于同一点来说，从不同位置所观察 到的镜面反射光强是不同的。 光照方程： I s I p K s cosn I p K s (V R)n Ks是物体表面镜面反射系数，它与入射 角和波长有关； α 是视线与反射方向的夹角； n 为镜面高光系数，用来模拟镜面反射 光在空间中的汇聚程度，它是一个反映 物体表面光泽度的常数；
（一）消隐技术
（一）消隐技术
Z-buffer算法（图像空间法）
算法思想：在图像投影空间中，用近点投影取代远点
投影。即对当前处理空间平面投影区域中的某一像素 点，比较该像素点的深度值与帧缓存中对应的已有像 素点的深度值大小，如果当前像素点的深度值较小， 则将当前像素的颜色值写入帧缓存，它的深度值写入 深度缓存 Z缓冲区算法又称为深度缓存算法，不仅需要一个帧 缓冲区(Frame Buffer)来存放每个像素的亮度值，而且 还需要有一个Z缓冲区(Z Buffer)来存放每个像素的深 度值，即Z坐标。这正是Z缓冲区算法名称的来历。 Z Buffer的大小由屏幕显示分辨率决定
所代表的面离视点更近，所以，由远及近地绘制各面 就相当于消除隐藏面。这与油画家作画的过程类似， 先画远景，再画中景，最后画近景，因此将这种算法 称为画家算法。
（一）消隐技术
表优先级算法（画家算 法）
优点：简单、易于实现，
A B
并且可以作为实现更为 复杂算法的基础 缺点：只能处理互不相 交的面，而且深度优先 级表中的顺序可能出错
缺点：
占用的存储容量大
（二）光照模型
18
19
（二）光照模型
虚拟场景着色方案：
为物体每个表面赋予固定的颜色，无论怎样观察物体
其颜色保持不变 尽可能模拟光源与彩色表面相互作用的效果
计算机图形学中，采用光照模型来计算景物表面 上任一点投向观察者眼中的光亮度的大小和色彩 组成，生成具有真实感的图像 光照模型：用来计算投射到人眼中光亮度大小的 数学模型。
漫反射(Diffuse Reflection)。 模型只考虑物体对直接光照的反射作用，而物体间 的光反射作用，只用环境光(Ambient Light)来表示
Phong光照模型
由物体表面上点P反射到视点的光强I =
环境光的反射光强 Ie
+理想漫反射光强Id
+镜面反射光Is
Phong光照模型
光照明方程（仅含环境光）：物体表面所呈现的亮度 Ie = KaIa 例如，透过厚厚云层的阳光就可以称为环境光。
Ka = 光线可能被吸收、反射和透
射。
被物体吸收的部分转化为热， 反射、透射的光进入视觉系统，使我们能看见物体。 目前虚拟光照的研究主要针对物体对入射光的反射模型进行
如果有多个光源，则可以把各个光 源的漫反射光照效果进行叠加：
I d K d I pi ( N Li )
i 1 m
环境光与漫反射光结合
方程：
I Ie Id Ia K a I p K d (L N )
例子：
镜面反射（Specular Reflection）
边界表示
正确投影
画家算法之 先A后B
画家算法之 先 B后A
只能把有关的面进行分割后再排序。增加了算法的 复杂度，因此，该算法使用具有一定的局限性
（一）消隐技术
BSP算法（Binary Space Partition）
设置视点位置 选取空间中某一平面对场景中的组成平面进行二
值状态分离，根据视点位置，位于分割平面前的 组成面设置状态为前（Front），位于分割平面后 的组成面设置状态为后（Back）。对于与分割面 相交的组成面，将其分成独立的两部分。 继续选取分割平面对之前的分离结果进行更细致 的分离，直至每个子区域只有一个组成面或包含 的组成面容易进行深度比较为止 最终形成一个二值状态的二叉树
镜面反射由于表面光滑的物体对入射光的反射形成的 对于理想镜面，反射光集中在一个方向，并遵守反射
定律。 对一般的光滑表面，反射光集中在一个范围内，且由 反射定律决定的反射方向光强最大。因此，对于同一 点来说，从不同位置所观察到的镜面反射光强是不同 的。 高光现象：镜面反射光在反射方向附近形成很亮的光 斑
光源强度 物体朝向 物体表面反射系数
光照方程：
I d Kd I pcos
漫反射（Diffuse Reflection）
点光源：向周围所有方向发射等强度的光 漫反射光是由物体表面的粗糙不平引起的，它均匀地向
各个方向传播，与视点无关
漫反射光在空间均匀分布，反射光强 I 与入射光的入射
角θ 的余弦成正比，即：


I d K d I p cos
其中，Kd 是漫反射系数（0～1之间的常数），与物 体表面性质有关；Ip 是入射光（光源）的光强；θ是入 射光的入射角，即入射光与物体表面法向量之间的夹角。
漫反射（续）
设物体表面在照射点 P 处的单位法向量为N，P
到点光源的单位向量为L，则上式可表达为如下的 向量形式： I d K d I p ( N L)
优点：
Z缓冲区算法排序灵活简单，有利于硬件实现。 在Z缓冲区算法中，屏幕上哪个像素点的颜色先计算，
哪个后计算，其先后顺序是无关紧要的，不影响消隐 结果。因此，该算法不需要预先排队，从而省去了排 序时间。 目前许多图形工作站都配置硬件实现的Z缓冲器算法， 以便于图形的快速生成和实时显示
光的衰减 从光源到物体表面过程 中的衰减 从物体表面到人眼过程 中的衰减
I Ie Id Is K a I a f (d ) I p [ K d ( L N ) K s (V R) n ]
多个点光源：
I I e I d i I si
（一）消隐技术
Weiler-Atherton算法
可见多边形裁剪 以位于最前面的景物表面为裁剪窗口，对后面的景物
进行裁剪，位于裁剪窗口之内的表面或表面的被遮挡 部分可以消去。位于窗口之外的表面组成外裁剪多边 形表，取表中位于最前面的表面为裁剪窗口，继续对 其他表面进行裁剪，直至外裁剪结果多边形表为空为 止。
从物体表面反射出来的光取决于光的成分、光源的几
何性质、物体表面朝向和表面性质等。由于物体表面 反射性质不同，可以将反射模型分为两类：
漫反射 镜面反射
漫反射
漫反射光可认为是光穿过物体表面
被吸收，然后重新发射出来的光。 漫反射光均匀的漫布在各个方向， 与观察者位置无关，从各个视角观 察都具有相同的亮度。 相关因素：
简单光照模型 整体光照模型
光源类型
点光源 无限远点光源 局部光源 环境光
点光源