9.2简单光照模型
光照模型
透 明
透明算法原理
在透明算法中若不考虑折射，则上述情况都不会发生， 这里也不 考虑光线在媒介经过的距离对光强度的影响 如果可见面是透明的，则可用它与其最靠近的物体表面光强度的线 性组合表示透明面的光强度。公式如下： I = tI1+(1-t)I2 （5 - 16） 其中，I1为可见面的光强度，I2为距可见面最近表面的光强度，t为 I1所在物体表面的透明度 (0≤t≤1)（t=0,可见面不可见；t=1,可见面 不透明） 若I2所对应的面也是透明面，则可按上述过程递归处理，直到遇到 不透明面为止 曲面物体的处理方法，引入透明因子（基于曲面法矢量的z分量）: t=tmin+(tmax-tmin)[1-(1-|nz|p)] 其中，tmin和tmax 分别为物体的最小和最大透明度，nz为表面的法 矢量的z分量，p为透明指数，t为物体表面上任一点或屏幕上任意 象素点上的透明度
对曲面用不同多边形分割， 会产生不同效果
Gouraud明暗处理
Gouraud明暗处理算法分析
以三边形和四边形为例，我们可以看出不同点：
用三边形分割
用四边形分割
Phong明暗处理
Phong明暗处理原理
P处法矢量的计算可分为两步： – 对A,B处法矢量作线性插值求处Q处法矢量，对B,C处法矢量 作线性插值求出R处法矢量；
阴影处理算法原理
阴影处理算法
本算法只考虑单个物体情况，物体以体矩阵形式存放。入射光线矢
量以一维数组存放。视点放在Z轴上。主要步骤如下：
– 针对入射光线，判断物体各个面是不是自身消隐面（即对光线是 否可见）；
– 对每个非自身消隐面，求出其在基平面的投影多边形（即投影面
第九章简单光照明模型
IB
yB y3
y1 y1
I3
y3 yB y3 y1
I1
I3 V3
图9.9 采用双线性插值计算P点的光亮度
其中yi（i＝1，2，3，A，B）为各点投影到屏幕之后的y轴坐标。
IP
xB xB
xP xA
IA
xP xB
xA xA
IB
其中xi（i＝A，B，P）为各点投影到屏幕之后的x轴坐标。
多边形各顶点光亮度计算
光亮度线性插值
V1
A I1 B
I2 V2
P (Ip)
I3
扫描线
V3
图9.9 采用双线性插值计算P点的光亮度
9.2.1 Gouraud明暗处理技术
Computer
IA
yA y1 y2 y1
I2
y2 yA y2 y1
I1
V1 A I1 B
I2 V2
P (Ip)
Graphics
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。
计算场 景中可 见面的 颜色。
9.1.1 光源
❖ 光源称为发光体 ❖ 反射表面（如房屋的墙壁）则称为反射光源
光源
反射面
Computer Graphics
图9.1 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
Computer Graphics
❖ 物体表面上任一点射向视点的光亮度I应为环境光、漫反射光和镜面
反射光的总和
I ka I pa kd I pd cosi ks I ps cosn
❖ 多个光源时
I ka I pa (kd I pd cos i ks I ps cosn )
第10章_光照模型与面绘制算法
0o ≤ φ ≤θ l
αl
Vlight
al φ
衰减指数 衰减角度
光 源 由方向点光源照明的对象
θl
方向光角强度衰减式子
1.0 f ang (φ ) = 0.0 (Vobj ⋅Vlight ) al
对象上某点位于光锥的轴线上 对象位于光锥之外 其他
光照明方程：
I = I a K a + f (d ) f ang I p [ K d ( L ⋅ N ) + K s (V ⋅ R ) ns ]
1）从光源到物体表面的过程中的衰减 2）从物体表面到人眼过程中的衰减 总的效果：物体表面的亮度降低
• 光照明方程
1）有效衰减函数的加入 2）深度暗示技术的加入
• 加入光的衰减
– 光在光源到物体表面过程中的衰减 光强按 1/d2 进行衰减： 缺点：当d很大时，变化很小；当d很小时，变化很大。
•衰减函数 •光照明方程
R V
• 非理想镜面反射亮度光照明方程：
I s = I p K s cos ns ϕ = I p K s (V ⋅ R) ns
• 镜面反射
– Ip为点光源的亮度 – Ks是与物体有关的镜面反射系数。
I s = I p K s cos ns ϕ
– Is为镜面反射光强，Is随ω的增大而衰减。
– ns为镜面反射参数，ns 的取值与物体表面粗糙程度有关。
S 0 = Sb +
S f − Sb Z f − Zb
(Z 0 − Zb )
原亮度I按比例S0与背景亮度Idc混合，目的是获得最 终用于显示的亮度I’，Idc由用户指定
I ′ = S 0 I + (1 − S 0 ) I dc
第9章 光照模型02
上海交通大学计算机系 何援军
17
9.5.3 光线跟踪算法
//计算与景物的交点并计算最近交点的光照值 // depth是光栅树的当前深度
RayColor RayTracing(RayTracing ray , int depth)
{ 确定光线与某个景物object的最近交点intersection; if (命中景物) { 计算交点处景物表面的法向normal; return RayShading(object,ray, intersection, normal, depth); }
2005年7月5日
上海交通大学计算机系 何援军
24
9.5.4 关键技术——加速算法
加速算法的常用策略有：
1)控制跟踪深度 在光线跟踪基本算法中，结束光线跟踪的 条件是光线不与任何景物相交，或已达到 预定的最大光线跟踪深度。 对于复杂的场景，没有必要将光线跟踪得 很深，可根据光线所穿过区域的性质自适 应地改变跟踪深度。
1条视线E，是由视点 V与屏幕上的像素点 (x,y)发出的射线； 对每一景物表面上的 交点Pi有3条光线：
①与光源的连线Si ②反射光线Ri ③折射光线Ti
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9.5.3 光线跟踪算法
光线跟踪算法构成的光线树
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9.5.3 光线跟踪算法
根据光线跟踪算法的定义，计算景物表面 某点P的光强应由3部分组成：
由光源产生的直接的光线照射光强 反射方向上对其它景物引起的间接光照光强 折射方向上对其它景物引起的间接光照光强
2005年7月5日
上海交通大学计算机系 何援军
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9.2简单光照模型
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一、Phong光照模型
在实际的应用中，由于Phong光照模型是一个经验模型， 因此还具有以下的一些问题： –显示出的物体象塑料，无质感变化 –没有考虑物体间相互反射光 –镜面反射颜色与材质无关 –镜面反射入射角大，会产生失真现象
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三、背景物理知识
镜面反射光：一束光照射到一面镜子上或不绣钢的表面，光 线会沿着反射光方向全部反射出去，这种叫镜面反射光。 折射光：比如水晶、玻璃等，光线会穿过去一直往前走。 吸收光：比如冬天晒太阳会感觉到温暖，这是因为吸收了太 阳光。
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二、光照模型的发展演化
1、早期发展 1967年，Wylie等人第一次在显示物体时加进光照效果， 认为光强与距离成反比。 1970年，Bouknight提出第一个光反射模型：Lambert漫 反射＋环境光（第一个可用的光照模型）。这篇文章发表 在 Communication of ACM 上。 1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的思想（漫反射 的意思是光强主要取决于入射光的强度和入射光与法线的夹 角）发表在 IEEE Transactions on Computers 上。 1975年，Phong提出图形学中第一个最有影响的光照明模型 。在漫反射模型的基础上加进了高光项。
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三、背景物理知识
1、光的传播规律 反射定律：入射角等于反射角，而且反射光线、入射光 线与法向量在同一平面上。
光照模型——精选推荐
光照模型Lambert模型(漫反射)环境光：Iambdiff = Kd*Ia其中Ia 表⽰环境光强度，Kd(0<K<1)为材质对环境光的反射系数，Iambdiff是漫反射体与环境光交互反射的光强。
⽅向光：Ildiff = Kd * Il * Cos(θ)其中Il是点光源强度，θ是⼊射光⽅向与顶点法线的夹⾓，称⼊射⾓(0<=A<=90°)，Ildiff是漫反射体与⽅向光交互反射的光强，若 N为顶点单位法向量，L表⽰从顶点指向光源的单位向量(注意顶点指向光源)，则Cos(θ)等价于dot(N,L)，故⼜有：Ildiff = Kd * Il * dot(N,L)最后综合环境光和⽅向光源，Lambert光照模型可以写成：Idiff = Iambdiff + Ildiff = Kd * Ia + Kd * Il * dot(N,L)Phong模型(镜⾯反射)Phong模型认为镜⾯反射的光强与反射光线和视线的夹⾓相关：Ispec = Ks * Il * ( dot(V,R) )^Ns其中Ks 为镜⾯反射系数，Ns是⾼光指数，V表⽰从顶点到视点的观察⽅向，R代表反射光⽅向。
由于反射光的⽅向R可以通过⼊射光⽅向L(从顶点指向光源)和物体的法向量求出，R + L = 2 * dot(N, L) * N 即 R = 2 * dot(N,L) * N - L所以最终的计算式为：Ispec = Ks * Il * ( dot(V, (2 * dot(N,L) * N – L ) )^NsBlinn-Phong光照模型(修正镜⾯光)Blinn-Phong是⼀个基于Phong模型修正的模型，其公式为：Ispec = Ks * Il * ( dot(N,H) )^Ns其中N是⼊射点的单位法向量，H是光⼊射⽅向L和视点⽅向V的中间向量，通常也称之为半⾓向量（半⾓向量被⼴泛⽤于各类光照模型，原因不但在于半⾓向量蕴含的信息价值，也在于半⾓向量是很简单的计算：H = (L + V) / |L + V| ）。
简单光反射模型
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简单光照模型只考虑反射光的作用，而不考虑透射光。
通常人们将反射光考虑成3个分量的组合，即：反射光=环境反射光+漫反射光+镜面反射光。
环境反射光是临近物体所造成的光多次反射所产生的，这种光的特点是：照射在物体上的光来自周围各个方向，又均匀地向各个方向反射。
漫反射光的强度近似地服从于Lambert 定律，即漫反射光的光强仅与入射光的方向和反射点处表面法向夹角的余弦成正比。
镜面反射光指的是光源被假定为点光源，其几何形状为一个点，向周围所有方向上辐射等强度的光，在物体表面产生反射作用。
简单光照模型将光在物体之间的传播效果笼统地模拟为环境光，只考虑光源的直接照射，因此又称为局部光照模型。
与此对应，把处理物体之间光照的相互作用的模型称为整体光照模型。
光照明模型
在三基色学说中，由红、绿、蓝这三种颜色组成原色系统。自然界中任何一种颜色都可以通过三原色按照一定的比例混合来得到。
C = r×[R] + g×[G] + b×[B]；其中r、g、b的取值
为0－1，[R]、[G]、[B]的取值为0－255。
1、RGB模型
通常用于彩色CRT、彩色光栅图形显示系统等，
是用R、G、B为坐标轴的笛卡儿坐标系的加色系统，
即单个基色的贡献加在一起得到结果的颜色。
2、CMY模型
以红、绿、蓝的补色青、品红、黄为原色构成的颜色模型。
常用于从白光中滤去某种颜色，又称为减性原色系统。
青(Cyan) =G+B；品红(Magenta)=R+B；黄（Yellow）=B+G
3.RGB模型和CMY模型的转换
1、漫反射和Lambert模型
模拟物体表面对点光源的反射作用。
光源被假定为点光源，其几何形状为一个点，向周围所有方向上辐射等强度的光。
漫反射—Lambert反射
漫反射光的强度近似地服从于Lambert定律，即漫反射光的光强仅与入射光的方向和反射点处表面法向夹角的余弦成正比。
由此可以构造出Lambert漫反射模型：
当光照射到物体表面时，光线可能被反射、透射、吸收。
光通过物体表面向空间反射，产生反射光；对于透明体，光线穿透该物体并从另一端射出透射光；而被物体吸收的部分转化为热。
反射、透射的光进入人的视觉系统，产生视觉效果。
为了模拟这一现象，需要建立一些数学模型来替代复杂的物理模型。这些模型称为明暗效应模型或者光照模型，每种模型都是对自然界复杂光照的抽象和近似描述。
提示：生成曲线时，取一合适的步长，控制u从0到1变化，求出一系列(x,y)坐标点，将其用小线段顺序连接起来。
计算机图形学复习题目
第一章1.1 名词解释：图形、图像、点阵法、参数法。
1.2 图形包括哪两方面的要素？在计算机中如何表示它们？1.3 什么叫计算机图形学？分析计算机图形学、数字图像处理和计算机视觉学科间的关系。
1.4 有关计算机图形学的软件标准有哪些？1.5 试从科学发展历史的角度分析计算机图形学以及硬设备的发展过程。
1.6 试发挥你的想象力，举例说明计算机图形学有哪些应用范围，解决的问题是什么？1.7 一个交互性计算机图形系统必须具有哪几种功能？第二章2.1 名词解释：随机扫描、光栅扫描、图形显示子系统、像素点、光点、屏幕分辨率、显示分辨率、存储分辨率、组合像素法、颜色位面法、位平面、颜色查找表。
2.2 试列举出你所知道的图形输入与输出设备。
2.3 阴极射线管由哪几部分组成？它们的功能分别是什么？2.4 简述什么叫桶形失真？如何校正？2.5 简述荫罩式彩色阴极射线管的结构和工作原理。
2.6 比较荫罩式彩色阴极射线管和穿透式彩色阴极射线管的异同。
2.7 简述黑底荫罩式彩色阴极射线管的结构和特点。
2.8 简述光栅扫描图形显示器的工作逻辑。
2.9 基于光栅扫描的图形显示子系统由哪几个逻辑部件组成？它们的功能分别是什么？2.10 什么是像素点？什么是显示器的分辨率？2.11 某些显示卡为什么要采用颜色查找表？采用颜色查找表的系统的工作原理是什么？2.12 确定用你的系统中的视频显示器x和y方向的分辨率，确定其纵横比，并说明你的系统怎样保持图形对象的相对比例。
2.13 如何根据显示器的指标计算显示存储器的容量。
2.14 图形的硬拷贝设备有哪些，简述其各自的特点。
第三章3.1 名词解释（可用图示）：回显、约束、网格、引力域、橡皮筋技术、草拟技术、拖动、旋转、形变。
3.2 什么是用户模型，设计一个好的用户接口要涉及到哪些因素？3.3 gks的有哪六种逻辑输入设备，试评价这六种逻辑分类方法。
3.4 举例说明什么是请求方式、取样方式、事件方式及其组合形式。
计算机形学光照模型基础知识全面解析
计算机形学光照模型基础知识全面解析计算机图形学的光照模型是模拟真实世界中的光照效果，使得计算机生成的图像更加逼真。
本文将全面解析计算机形学光照模型的基础知识，帮助读者深入了解光照模型的原理和应用。
一、光照模型的概述光照模型是计算机图形学中的重要内容，它可以模拟光照对物体的影响，使得计算机生成的图像具有真实感。
光照模型通常由三部分组成，分别是环境光、漫反射光和镜面光。
这三部分光线的叠加决定了物体在计算机图像中的亮度和明暗。
1. 环境光：环境光是指来自无特定方向的光线，它可以认为是光线在环境中的均匀散射。
环境光的强度在整个场景中是恒定的，它决定了整个场景的基准亮度。
2. 漫反射光：漫反射光是指光线照射到物体表面后均匀散射的光线。
漫反射光的强度受到物体表面法线和光线入射方向的夹角以及材质的反射特性的影响，决定了物体的明暗。
3. 镜面光：镜面光是指光线照射到物体表面后沿着反射角方向反射的光线，它使得物体表面呈现出高光效果。
镜面光的强度受到光线入射方向、观察者方向以及物体表面的平滑程度等因素的影响。
二、经典的光照模型计算机图形学中有多种经典的光照模型，本节将介绍其中的两种：Lambert模型和Phong模型。
这两种模型分别从漫反射光和镜面光的角度考虑光照效果。
1. Lambert模型Lambert模型是一种最简单的光照模型，它只考虑漫反射光的影响。
Lambert模型中，物体表面的明暗只与光线入射方向和物体表面法线的夹角有关，与观察者方向无关。
该模型的计算公式为：I = Ia * Ka + Ip * Kd * cosθ其中，I表示最终的颜色强度，Ia表示环境光的强度，Ka表示物体表面的环境光反射系数，Ip表示光源的强度，Kd表示物体表面的漫反射系数，θ表示光线入射方向与物体表面法线的夹角。
2. Phong模型Phong模型是一种综合考虑漫反射光和镜面光的影响的光照模型。
Phong模型根据光线入射方向、观察者方向和物体表面的平滑程度来计算镜面光的反射强度，从而使得物体表面呈现出光泽感。
光照模型
• 1975年，Phong提出图形学中第一个有影
简单光照模型-Phong光照模型
• Phong光照模型的综合表述：由物体表面上 一点P反射到视点的光强I为环境光的反射 光强Ie、理想漫反射光强Id、和镜面反射光 Is的总和。
I Ie Id Is
I a Ka I p [ Kd ( L N ) K s (V R)n ]
简单光照模型- 环境光例子
• 具有不同环境光反射系数的两个球
I a 1.0
Ka 0.4
Ka 0.8
简单光照模型-环境光
• 缺点：虽然不同的物体具有不同的亮度， 但是同一物体的表面的亮度是一个恒定 的值，没有明暗的自然过度。
简单光照模型
• 考虑引入点光源。
• 点光源：几何形状为一个点，位于空间中的某 个位置，向周围所有的方向上辐射等强度的光。 记其亮度为Ip
L S N S R
V
简单光照模型-镜面反射
• 镜面反射光特点
– 空间分布具有一定方向性 – 光强不仅取决于入射光和表面材料，还与观察方向
有关 – 具有与入射光相同的性质
N R L
P
镜面反射
简单光照模型-Phong光照模型
• 简单光照模型模拟物体表面对光的反射 作用,光源为点光源 • 反射作用分为
• 局部光照模型仅考虑了（1）
7.3.6 整体光照模型
• 例如：从视点观察到的物体A表 面的亮度来源于三方面的贡献： （1）光源直接照射到A的表面，然 后被反射到人眼中的光产生的。 （2）光源或其它物体的光经A物体 折射到人眼中的光产生的。 （3）物体B的表面将光反射到物体 A的表面，再经物体A的表面反射 到人眼中产生的。 • 局部光照模型仅考虑了（1）
《三维模拟演练系统中光照模型的研究与实现》
《三维模拟演练系统中光照模型的研究与实现》一、引言随着计算机图形学技术的不断发展，三维模拟演练系统在众多领域得到了广泛应用。
其中，光照模型作为影响三维场景真实感的重要因素，其研究和实现具有重要意义。
本文将重点探讨三维模拟演练系统中光照模型的研究与实现，旨在提高三维场景的真实感和视觉效果。
二、光照模型理论基础1. 光照模型的基本概念光照模型是描述光线与物体表面相互作用的过程，包括光源、光线传播、物体表面材质以及光线与物体表面的交互等。
在三维模拟演练系统中，光照模型通过模拟真实世界的光照现象，使场景更加真实。
2. 常见光照模型（1）Lambert模型：该模型基于漫反射原理，考虑了光源、物体表面法线和材质等因素，适用于简单场景的光照模拟。
（2）Blinn-Phong模型：该模型在Lambert模型的基础上增加了镜面反射部分，能够模拟出更加真实的光泽感。
（3）全局光照模型：该模型考虑了场景中所有光源和物体之间的相互作用，能够模拟出更加真实的场景光照效果。
三、三维模拟演练系统中光照模型的实现1. 光照模型的建模过程在三维模拟演练系统中，光照模型的建模过程包括确定光源、设置物体表面材质、计算光线与物体表面的交互等步骤。
首先，需要确定场景中的光源类型和位置；其次，设置物体表面的材质属性，如漫反射率、镜面反射率等；最后，根据光照模型计算光线与物体表面的交互结果。
2. 光照模型的实现技术（1）实时渲染技术：通过GPU加速的实时渲染技术，将光照模型应用到三维场景中，实现场景的实时渲染。
（2）纹理映射技术：将物体表面的材质属性以纹理的形式映射到物体表面，提高场景的真实感。
（3）光线追踪技术：通过光线追踪技术，模拟光线在场景中的传播过程，实现更加真实的光照效果。
四、实验与分析为了验证本文所研究的光照模型在三维模拟演练系统中的效果，我们进行了实验与分析。
实验结果表明，本文所研究的光照模型能够有效地提高三维场景的真实感和视觉效果。
简单光照明模型
简单光照明模型1. 引言简单光照明模型是计算机图形学中的基础概念之一。
它是描述和模拟光照如何影响物体外观的一种数学模型。
光照明模型的目的是通过计算光线在物体表面的交互，从而确定物体的明暗程度和颜色。
在本文档中，我们将介绍简单光照明模型的基本原理和主要组成部分。
首先，我们将讨论光源和材质的概念，然后介绍常用的光照模型，并最后给出一个简单的示例。
2. 光源和材质光源是产生和发射光线的对象。
在计算机图形学中，常见的光源类型包括平行光源、点光源和聚光灯。
每种光源都有自己的特点和参数，例如光源的位置、颜色、强度等。
材质是描述物体外观特性的对象。
在光照明模型中，我们需要考虑物体的反射率、折射率等参数，以确定光线在物体表面的交互过程。
3. 简单光照模型简单光照模型是一种基于局部光照的模型，主要考虑光线在物体表面的反射和散射。
它通常由以下几个组成部分构成：•环境光：表示环境中的整体均匀光照，不受物体表面属性的影响。
•漫反射光：表示光线在物体表面上的分散反射，它取决于光源的位置和物体表面的法线方向。
•镜面反射光：表示光线在物体表面上的镜面反射，它取决于视线、光线和物体表面的法线方向。
根据这些基本组成部分，我们可以计算出物体表面上的光照强度和颜色。
4. 示例下面我们通过一个简单的示例来说明光照明模型的应用。
假设我们有一个球体，并且球体的材质具有以下属性： - 环境光反射系数：0.2 - 漫反射系数：0.6 - 镜面反射系数：0.8 - 镜面反射指数：32我们还有一个点光源，其位置为 (1, 2, 3)，颜色为白色。
通过计算光照明模型的各个组成部分，并结合材质属性，我们可以得到球体表面每个点的光照强度和颜色。
然后，将光照强度和颜色与球体的纹理进行混合，就可以得到最终的渲染结果。
结论简单光照明模型是计算机图形学中的基础概念，它描述了光线如何影响物体的外观和颜色。
通过对光源和材质的建模，以及光照模型的计算，我们可以实现更加逼真的图形渲染效果。
最新计算机图形学42
• 镜面反射(Specular Reflection) ：光源产生高光或强光 • 物体间光的反射：用环境光(Ambient Light)表示
环境光
是在物体和周围环境之间多次反射后，最终达到平衡时的一种光，又称
。 为背景光，与周围的物体、视点和光源的位置都无关
三维空间中任意一点对环境光的反射光强度
• 注意：Gouraud着色方法并不是孤立的处理单个多边形，
而是将构成一个物体表面的所有多边形（多边形网格） 作为一个整体来处理。
Gouraud着色方法
基本的算法步骤: 1 计算多边形的单位法矢量 2 计算多边形顶点的单位法 矢量 3 利用光照模型计算顶点的 颜色（光强） 4 利用线性插值计算多边形 内点的颜色（光强）
• 如何解决？ • 光滑着色，亦称插值着色
双线性光强插值—Gouraud着色方法
双线性法向插值—Phong着色方法
面绘制模型Gouraud着色方法
• Gouraud于1971年提出，又被称Gouraud明暗处理 • 基本思想：在每个多边形顶点处计算颜色，然后在各
个多边形内部进行线性插值，得到多边形内部各点颜 色。即它是一种颜色插值着色方法。
n:镜面反射指数，n越大，则Is随a的增大衰减的越快。
令V和R分别是观察方向和镜面反射方向的单位矢量，则
Is=Il ks(V R)ns
R：可以通过入射光单位矢量L和单位法矢量N计算出来
R+L=（2cosθ）N
= (2N·L) N
则V的半角矢量H ，简化冯氏模型 用（N·H）代替（V·R）、用cos α代替cos Ф ，即
环境光
境面反射
=
Phong模型示例_2
光照模型算法
光照模型算法光照模型算法是计算机图形学中的重要算法之一，用于模拟光线在物体表面的反射、折射和吸收等现象。
它能够准确地计算物体表面的亮度和颜色，使得渲染结果更加真实自然。
本文将介绍光照模型算法的基本原理和常见应用。
一、光照模型算法的基本原理光照模型算法基于光线与物体表面的相互作用，通过计算光线的入射角度、物体表面的材质特性以及光源的属性，来确定物体表面的亮度和颜色。
一般而言，光照模型算法包括环境光照、漫反射和镜面反射等三个部分。
1. 环境光照环境光照是指来自光源的均匀、无方向性的光照。
在光照模型算法中，通常使用一个环境光照系数来表示环境光的强度。
环境光照对物体表面的亮度影响较小，但对整体的明暗效果有一定的贡献。
2. 漫反射漫反射是指光线照射到物体表面后，由于物体表面的粗糙度和材质特性，光线会向各个方向散射。
漫反射光照的强度与入射光线的角度、物体表面的法线方向以及物体表面材质的漫反射系数有关。
漫反射能够使物体表面呈现出明暗不一的效果，更加真实地模拟物体的光照效果。
3. 镜面反射镜面反射是指光线照射到物体表面后，由于物体表面的光滑度和材质特性，光线会按照反射角度进行反射。
镜面反射光照的强度与入射光线的角度、物体表面的法线方向、观察者的位置以及物体表面材质的镜面反射系数有关。
镜面反射能够使物体表面呈现出高亮度的效果，增加物体的光泽感。
二、光照模型算法的应用光照模型算法在计算机图形学中有着广泛的应用。
下面将介绍几个常见的应用领域。
1. 三维建模与渲染在三维建模与渲染中，光照模型算法被用于计算物体表面的亮度和颜色，实现真实感的渲染效果。
通过调整光源的位置、光照的强度以及物体的材质特性，可以模拟出各种不同的光影效果，使得渲染结果更加逼真。
2. 游戏开发在游戏开发中，光照模型算法被广泛应用于计算游戏场景中的光照效果。
通过动态调整光源的位置和强度，可以实现动态的光照效果，增强游戏场景的真实感和沉浸感。
3. 虚拟现实技术在虚拟现实技术中，光照模型算法被用于计算虚拟环境中的光照效果。
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一、Phong光照模型
环境光 § 邻近各物体所产生的光的多次反射最终达到平衡时的 一种光。可近似认为同一环境下的环境光，其光强分 布是均匀的。
Iambient = I a K a
I a 环境光强度
Ka
环境光反射系数
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Phone光照模型
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一、Phong光照模型
1、Phong光照模型（环境光+漫反射光+镜面反射光）
假设光源 无限远 入射光 法线 反射光 假设视点 无限远 H为将入射光反射到观察者方向的理想镜面的法向量
视线方向
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一、Phong光照模型 Phong模型扫描线算法
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. for 屏幕上的每一条扫描线 y do begin 将数组Color初始化成为y扫描线的背景颜色值； for y扫描线上的每一可见取间段s中的每个点 (x,y) do begin 设 (x,y) 对应的空间可见点为P; 求出P点处的单位法向量N，P点的单位入射光向量L和单位视线向 量V，求出L在P点的单位镜面反射向量R； (r, g, b) = ka(rpa, gpa, bpa) + ∑ [ kd(rpd, gpd, bpd) cosθ + ks(rps, gps, bps) cosnα ] 置Color(x,y) = (r, g, b) end; 显示Color; end;
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一、Phong光照模型
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一、Phong光照模型
1、Phong光照模型 结合RGB颜色模型， Phong光照明模型最终有如下的形式：
I r = I ar K ar + I pr K dr ( L ⋅ N ) + I pr K sr ( R ⋅ V ) n n I g = I ag K ag + I pg K dg ( L ⋅ N ) + I pg K sg ( R ⋅ V ) n I I K I K ( L N ) I K ( R V ) = + ⋅ + ⋅ ab ab pb db pb sb b
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二、光照模型的发展演化
1、早期发展 1967年，Wylie等人第一次在显示物体时加进光照效果， 认为光强与距离成反比。 1970年，Bouknight提出第一个光反射模型：Lambert漫 反射＋环境光（第一个可用的光照模型）。这篇文章发表 在 Communication of ACM 上。 1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的思想（漫反射 的意思是光强主要取决于入射光的强度和入射光与法线的夹 角）发表在 IEEE Transactions on Computers 上。 1975年，Phong提出图形学中第一个最有影响的光照明模型 。在漫反射模型的基础上加进了高光项。
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三、背景物理知识
1、光的传播规律 反射定律：入射角等于反射角，而且反射光线、入射光 线与法向量在同一平面上。
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三、背景物理知识
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பைடு நூலகம்hong模型示例_1
+ 理想漫反射 环境光
+ 境面反射
=
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Phong模型示例_2
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一、Phong光照模型
Phong光照明模型是真实感图形学中提出的第一个有影响的 光照明模型，生成图象的真实度已经达到可以接受的程度。 Phone模型用来模拟光从物体表面到观察者眼睛的反射。尽 管这种方法符合一些基本的物理法则，但它更多的是基于对 现象的观察，所以被看成是一种经验式的方法。
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三、背景物理知识
镜面反射光：一束光照射到一面镜子上或不绣钢的表面，光 线会沿着反射光方向全部反射出去，这种叫镜面反射光。 折射光：比如水晶、玻璃等，光线会穿过去一直往前走。 吸收光：比如冬天晒太阳会感觉到温暖，这是因为吸收了太 阳光。
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2、折射定律 折射定律：折射线在入射线与法线构成的平面上，折 射角与入射角满足： 入射光
η1 sin ϕ = η2 sin θ
θ ϕ
η1 η2
折射光
其中：η1、η2分别是入射光线 在空气，物体中的折射率，θ 和ψ分别是入射角和折射角。
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三、背景物理知识
一、Phong光照模型
漫反射光 § 光照射到比较粗糙的物体表面，物体表面某点的明暗 程度不随观测者的位置变化，这种等同地向各个方向 散射的现象称为光的漫反射。漫反射光强近似服从 Lambert定律：
Idiffuse = I p K d ( L ⋅ N )
I p 点光源光强
简单光照模型
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一、什么是光照模型？
1、光照模型 当物体的几何形态确定之后，光照决定了整个场景的 显示结果。因此，真实感图形的生成取决于如何建立 一个合适的光照模型（illumination model）。 光照明模型：模拟物体表面的光照明物理现象的数学模 型。 简单光照明模型只考虑光源对物体的直接光照
Ka
物体表面漫反射率
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一、Phong光照模型
镜面反射光 § 光照射到相当光滑的物体表面，就产生镜面反射光， 其特点是在光滑表面会产生高光区域。一般用Phong提 出的经验模型表达：
Ispec = I p K s ( R ⋅ V )
n
I p 点光源光强 K s 物体表面某点的高光亮系数 n 镜面反射指数，1~2000，反映光滑程度
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一、Phong光照模型
在实际的应用中，由于Phong光照模型是一个经验模型， 因此还具有以下的一些问题： –显示出的物体象塑料，无质感变化 –没有考虑物体间相互反射光 –镜面反射颜色与材质无关 –镜面反射入射角大，会产生失真现象
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3、能量关系 在光的反射和折射现象中的能量分布（满足能量守恒）：
Ii = Id + Is + I t + I v
入射光强 漫反射光强
吸收光强
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三、背景物理知识
漫反射光：光线射到物体表面上后（比如泥塑物体的 表面，没有一点镜面效果），光线会沿着不同的方向等量 的散射出去，这种现象称为漫反射。漫反射光在不同方向 都是一样的。 漫反射光均匀向各方向传播，与 视点无关，它是由表面的粗糙不平 引起的 。
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一、Phong光照模型
1、Phong光照模型
I = I a K a + I p K d ( L ⋅ N ) + I p K s ( R ⋅V )n
环境光
理想漫反射光 镜面反射光
这就是经典的Phong模型。Ia、Ip都是常数，k也是已知 的，L是光源的方向也是已知的，N是物体表面的法向可以 算出来的，v是视线的方向，R也可以算出来。