计算机图讲义形学真实感图形绘制
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计算机图形学真实感图形绘制PPT课件
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2020年9月28日
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10.2 基于简单光照模型的多边形绘制
恒定光强 Gouraud明暗处理 Phong明暗处理
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恒定光强
只用一种颜色绘制整个多边形 光源在无穷远处，则多边形上所有点的L·N 为常数，衰减函数也是一个常数。 视点在无穷远处，则多边形上所有点的V·R 为常数。 多边形是景物表面的精确表示，即不是一个 含曲线面景物的近似表示。
第十章 真实感图形绘制
基本概念 简单光照模型 基于简单光照模型的多边形绘制
2020年9月28日
1
基本概念
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。
光强（度）：描述物体表面朝某方向辐射光的 颜色，它既能表示光能大小又能表示其色彩组 成的物理量。
n
n
IaK a f(di)Ip,iK d(L iN ) f(di)Ip,iK s(H iN )n
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颜色
选择颜色模型（color model） 面向硬件的颜色模型：RGB、CYM 面向视觉感知的颜色模型：HSI
为颜色分量指定光照模型
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基本概念
光照模型（Illumination model），也称明暗模 型，主要用于物体表面某点处的光强度计算。 简单的光照模型 复杂的光照模型
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基本概念
真实感图形绘制过程 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。
第章真实感图形绘制PPT课件
10.2Βιβλιοθήκη 简单光照模型光源：点光源；
物体：非透明物体，表面光滑透射光和 散射光不计；被吸收到物体内部的
会产生视觉效果，忽略不计；
光不
因此，简单光照模型只考虑反射光。
反射光包括：环境光、漫反射光、镜面反射光。
10.2.1 环境光
物体接受到的周围物体散射出来的光， 代表一种分布光源。
P点对环境光的反射强度为
其中
Ie——环境光的漫反射光强 Ia——入射的环境光光强 Ka——环境光的漫反射常数
Ie = Ia * Ik
P
环境光的反射
10.2.2 漫反射光
漫反射：一个粗糙的物体表面对光源的反应为漫反射， 即光线入射到该表面后，向各个方向做同等光强的反射。 所以从任何角度看，该物体具有同样的亮度。
点光源
N
L
q
P
漫反射
漫反射光（Diffuse Reflection）
对于彩色
I p (I pR , I pG , I pB ) IdR I pR KdR (L N )
IdG I pG KdG (L N )
IdB I pB KdB (L N )
对于多个漫反射光源
n
Id I p,i Kd (Li N ) i 1
i 1
i 1
n
n
I B I aB KaB f (di )I pB,i KdB (Li N ) f (di )I pB,i K sB (Hi N )n
i 1
i 1
10.3 基于简单光照模型的多边形绘制
10.3.1 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。
物体：非透明物体，表面光滑透射光和 散射光不计；被吸收到物体内部的
会产生视觉效果，忽略不计；
光不
因此，简单光照模型只考虑反射光。
反射光包括：环境光、漫反射光、镜面反射光。
10.2.1 环境光
物体接受到的周围物体散射出来的光， 代表一种分布光源。
P点对环境光的反射强度为
其中
Ie——环境光的漫反射光强 Ia——入射的环境光光强 Ka——环境光的漫反射常数
Ie = Ia * Ik
P
环境光的反射
10.2.2 漫反射光
漫反射：一个粗糙的物体表面对光源的反应为漫反射， 即光线入射到该表面后，向各个方向做同等光强的反射。 所以从任何角度看，该物体具有同样的亮度。
点光源
N
L
q
P
漫反射
漫反射光（Diffuse Reflection）
对于彩色
I p (I pR , I pG , I pB ) IdR I pR KdR (L N )
IdG I pG KdG (L N )
IdB I pB KdB (L N )
对于多个漫反射光源
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Id I p,i Kd (Li N ) i 1
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I B I aB KaB f (di )I pB,i KdB (Li N ) f (di )I pB,i K sB (Hi N )n
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10.3 基于简单光照模型的多边形绘制
10.3.1 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。
计算机图形学第7讲真实感图形的绘制PPT课件
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简单光照明模型
Gouraud明暗处理算法
计算多边形顶点的平均法向
nb n
nc
用与顶点相邻的所有多边形 的法向的平均值近似作为该
na
nd
顶点的近似法向量
用Phong光照明模型计算顶 点的平均光强
插值！
I1 I2
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I0
I4 I3
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简单光照明模型
光强插值
(R) 、(G) 、(B) 为正值 (R) 、(G) 、(B)为方向，代表颜色
降维到色度平面(R) +(G)+(B)=1
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基础概念
球面坐标系
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基础概念
立体角（Solid Angle）
投影面积
Anv
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v
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基础概念
光通量
单位时间内通过面元的光能量（单位W）
饱和度(Saturation)-纯度(Purity)
颜色纯度
纯度越高：单一波长且更亮（激光）
亮度(Lightness)-明度(Luminance)
光的亮度 光在单位时间内从单位面积向单位立体角所发射的能量
2020年9月28日
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2020年9月28日
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颜色
红、绿、蓝三原色 (RGB)
1862年Helmhotz提出 视锥网膜存在三种细胞，分别感应红绿蓝三种颜色
N4 N3
D
F B
E
C
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简单光照明模型
Phong明暗处理：双线性法线插值
通过更加平滑的法向量变化，以产生高光效果
《计算机图形学》09-真实感图形生成技术PPT课件
五. 一般物体的表示 对于一般的物体，如果其表面的光滑度较低，也就是镜面反射
不太明显, 甚至可忽略不计（如一般的地表、橡胶制品等等）则可 将前述phong模型中的镜面反射部分去掉而简化成：
R
R0
G d(1d)cos G0
B
B0
又因环境反射光所占比例极小（d《1），有时也可忽略
不计，故可得：
R
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2. Gouraud 方法(双线性亮度插值法)
基本思想：对离散的辉度采样并作双线性插值，以获得一个 连续的辉度函数。
具体做法：首先计算多边形所有顶点的亮度，之后，把它们 作为曲面光亮度的采样点，然后再利用多边形顶点的光亮度插 值计算出多边形内任一点的光亮度，在这里与扫描线绘制算法 结合起来，沿当前扫描线进行双线性插值。即先用多边形顶点 的光亮度线性插值出当前扫描线与多边形交点处的光亮度，然 后再用交点的光亮度线性插值出扫描线位于多边形内区段上每 一象素处的光亮度值。
因为同一个三角形上的所有点必处于同一个平面上，所以所有 点的法向相同，这样就可取其中一点作为代表（通常取其重心 点）。根据视点、光源、物体的颜色等已知的条件及物体的材质， 采用前述的公式计算出该点的辉度值，并以此作为整个三角形面 素的辉度值。
在计算三角形面素辉度值时，要计算三角形面素的重心坐标、 法线矢量、视线矢量和光源方向矢量。其计算方法与前述的完全 一样。
8
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
照射后会表现出特有的光泽，如一个点光源照射一个金
计算机图形学_第十四章_真实感图形绘制
点表示黑色，其对角线点表示白色，对角线上各点含有等量的各种原色 ，表示辉度等级。坐标轴上的立方体顶点表示原色，而其余相对的顶点 为补色。在立方体范围内的每个彩色点，都可以用三个参数(R，G，B)表 示，值在0~1的范围内。
常见颜色模型
•CMY颜色模型
用青（Cyan）、品红（Magenta）和黄（Yellow）3种原色所定义 的一种彩色模型称为CMY模型。除了是白色而不是黑色位于坐标原点以 外，CMY的坐标空间与RGB的完全相同。 CMY颜色模型适合于硬拷贝设 备的彩色输出 。
简单光照模型
当光照射在一个物体表面上时，会出现3种情形。首先，光 可以通过物体表面向空间反射，产生反射光。其次，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。最后， 部分光将被物体表面吸收而转化为热。 不包括透射光的简单光照模型。 假设物体不透明，则物体表面呈现的颜色及其光强仅由表 面的反射光决定。通常，反射光被看成是三个分量的组合。这 三个分量分别为：
来定义。
•主波长是所见彩色光中占支配地位的光波长度。
•纯度是光谱纯度的量度，即彩色光中混有白色光的多少
•明度反映了光的明亮程度，即光的强度。
三色学说
1807年，杨(T.Young)和赫姆霍尔兹(H.L.F.von Helmholtz)根据红、绿、蓝三原色可以产生各种色调及灰 度的颜色混合规律，假设在人眼内有3种基本的颜色视觉
漫反射和Lambert模型
在实际使用时，对入射光强按距离平方衰减往往不能 很好地区分点光源在相距较近的景物表面上所产生的光 照效果。 为此，图形学中常采用经验模型来模拟点光源的距离 衰减效果。常用的模型有线性衰减模型，这时， Lambert漫反射模型可改写为：
Kd I I a K a +I p (L N ) d +k
计算机图形学第八章-真实感图形生成技术PPT课件
写入刷新缓冲器，且用z(x,y)重置Zbuffer(x,y)； (4) 所有多边形都处理完后，显示消隐图。
深度缓冲器算法便于硬件实现。实际上，在当今生 产的大多数高档图形工作站，除了帧缓存外，还带有 用于消隐的深度缓存，从而克服了深度缓存算法占用 大量存储单元的缺点。
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14
8.1.4 区域细分算法 区域细分算法也称为Warnock算法。这种算法在图像空
设平面方程为 Ax+By+Cz+D=0
法向矢量为 N﹦Ai﹢Bj﹢Ck
则cosβ﹦C/|N|。作为判断依据，只需要知道cosβ的正负 号就够了。因为|N|恒大于 0，所以cosβ的符号由C决定， 因此，当C＜0 时，为可见面。当C≥0时，为不可见面。
2021/3/5
7
由于三点可以构成一个平面，和三点可以构成两个
画家算法也称表优先级算法或深度优先排序算法。 这种算法排序操作同时在对象空间和图象空间完成， 而在图象空间产生消隐图。实现时首先以深度优先级 进行排序，距观察点远的面优先级低，近的面优先级 高，以此建立一张深度优先级表。然后按优先级表顺 序将各面送入帧缓冲器进行显示。
2021/3/5
10
深度优先级表的建立是动态进行的。假定观察方向
图3
2021/3/5
6
设平面外法线同Z轴方向的夹角为β，则cosβ为单位平面 外法线矢量在Z轴上的分量。β角同可见性的关系为：
（1）当 0≤β≤90 时，cosβ＞0，此面背向观察者 为不可见面。
（2）当 ﹦90 时，cosβ﹦0，此面平行于Z轴，可以认 为是不可见面。
（3）当 90≤β≤180 时，cosβ＜0，此面朝向观察 者的，为可见面。 Nhomakorabea图1
深度缓冲器算法便于硬件实现。实际上，在当今生 产的大多数高档图形工作站，除了帧缓存外，还带有 用于消隐的深度缓存，从而克服了深度缓存算法占用 大量存储单元的缺点。
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8.1.4 区域细分算法 区域细分算法也称为Warnock算法。这种算法在图像空
设平面方程为 Ax+By+Cz+D=0
法向矢量为 N﹦Ai﹢Bj﹢Ck
则cosβ﹦C/|N|。作为判断依据，只需要知道cosβ的正负 号就够了。因为|N|恒大于 0，所以cosβ的符号由C决定， 因此，当C＜0 时，为可见面。当C≥0时，为不可见面。
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由于三点可以构成一个平面，和三点可以构成两个
画家算法也称表优先级算法或深度优先排序算法。 这种算法排序操作同时在对象空间和图象空间完成， 而在图象空间产生消隐图。实现时首先以深度优先级 进行排序，距观察点远的面优先级低，近的面优先级 高，以此建立一张深度优先级表。然后按优先级表顺 序将各面送入帧缓冲器进行显示。
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深度优先级表的建立是动态进行的。假定观察方向
图3
2021/3/5
6
设平面外法线同Z轴方向的夹角为β，则cosβ为单位平面 外法线矢量在Z轴上的分量。β角同可见性的关系为：
（1）当 0≤β≤90 时，cosβ＞0，此面背向观察者 为不可见面。
（2）当 ﹦90 时，cosβ﹦0，此面平行于Z轴，可以认 为是不可见面。
（3）当 90≤β≤180 时，cosβ＜0，此面朝向观察 者的，为可见面。 Nhomakorabea图1
计算机图形学课件-第八章-真实感图形的绘制精选课件PPT
明暗模型
漫射照明 具体光源的照射 透射效应。
漫反射 镜面反射
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7
Computer Graphics
College of Computer Science and Technology
简单的光照模型仅考虑光源照射在物体表面 产生的反射光。这种光照模型通常假定物体是 光滑的且由理想材料构成，所生成的图形可以 模拟出不透明物体表面的明暗过渡，具有一定 的真实感效果。这类光照明模型称为局部光照 明模型。
College of Computer Science and Technology
用计算机在图形设备上生成连续色调的真 实感图形必须完成四个基本的任务。
1 用数学方法建立所构造三维场景的几何描述，并 将它们输入至计算机。这部分工作可由三维立体 造型或曲面造型系统来完成。
2 将三维几何描述转换为二维透视图。
2
Computer Graphics
College of Computer Science and Technology
当光照射到物体表面时，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、透射的光进入人的视觉系 统，使我们能看见物体。为模拟这一现象， 需要建立一些数学模型来替代复杂的物理 模型，这些模型就称为明暗效应模型或者 光照(明)模型。
第一节
College of Computer Science and Technology
漫反射及具体
光源的照明
1．环境光
在多数实际环境中，存在由于许多 物体表面多次反射而产生的均匀的照 明光线，这就是环境光线。环境光线 的存在使物体得到漫射照明.
亮度计算如下：
I=Ia· κa
2021/3/2
计算机图形学第十一章-真实感图形生成技术
*
假定四边形图案的四角映射到四边形曲面片四角片，即 u＝0，w＝0，在θ＝0，Φ＝π/2 u＝1，w＝0，在θ＝π/2，Φ＝π/2 u＝0，w＝1，在θ＝0，Φ＝π/4 u＝1，w＝1，在θ＝π/2，Φ＝π/4 可解得 A＝π/2，B＝0， C＝一π/4， D＝π/2 故由uw空间在θΦ空间的线性映射函数为： θ＝u·π/2，Φ＝π/2 －w·π/4 由θΦ空间至uw空间的逆映射为： u＝θ/ (π/2 ) w=（π/2 －Φ）/ (π/4)
（2）然后按实际的视点位置和观察方向，对物体实施消隐 算法，生成真正消隐后的立体图形；
（3）检索数据文件，核查消隐后生成的图形中，是否包含有在光照模型下的“隐藏面”。如有，则加以阴影符号标识这些面。
Z缓冲器方法
光线跟踪法
影域多面体方法 投射阴影生成方法
投射阴影生成方法 1、影域多面体方法 基本思想：先求出景物空间中光线被该物体轮廓多边形所 遮挡的区域，即影域多面体。然后 再判断其后物体是否在 该影域内，若在影域内为阴影。
四、影响真实感图形因素
物体本身形状
照射物体光源
物体与光源相对位置
物体周围环境
*
简单光照模型 一个物体表面为什么会出现 明暗、颜色等，主要由于物体发 光达到人眼的结果。 光照在物体表面上有三种情况： 反射光：光通过物体表面被反射； 透视光：对于透明物体光穿过该物体而从另端射出； 光被物体吸收而变成热。 我们视觉效果是反射光和透视光。
与漫反射不同，镜面反射光与物体颜色无关。
当光源不只一个，而是有m个光源，则上式可写为： 这就是简单光照模型。
Phong光照模型 综上所述，从视点观察到物体表面上任一点亮度I应为环境 光、漫反射光、镜面反射光的总和，即： I＝Ie＋Id＋Is 即： I＝Ie Ka＋Ip (Kd cosθ＋K s cosnφ)
假定四边形图案的四角映射到四边形曲面片四角片，即 u＝0，w＝0，在θ＝0，Φ＝π/2 u＝1，w＝0，在θ＝π/2，Φ＝π/2 u＝0，w＝1，在θ＝0，Φ＝π/4 u＝1，w＝1，在θ＝π/2，Φ＝π/4 可解得 A＝π/2，B＝0， C＝一π/4， D＝π/2 故由uw空间在θΦ空间的线性映射函数为： θ＝u·π/2，Φ＝π/2 －w·π/4 由θΦ空间至uw空间的逆映射为： u＝θ/ (π/2 ) w=（π/2 －Φ）/ (π/4)
（2）然后按实际的视点位置和观察方向，对物体实施消隐 算法，生成真正消隐后的立体图形；
（3）检索数据文件，核查消隐后生成的图形中，是否包含有在光照模型下的“隐藏面”。如有，则加以阴影符号标识这些面。
Z缓冲器方法
光线跟踪法
影域多面体方法 投射阴影生成方法
投射阴影生成方法 1、影域多面体方法 基本思想：先求出景物空间中光线被该物体轮廓多边形所 遮挡的区域，即影域多面体。然后 再判断其后物体是否在 该影域内，若在影域内为阴影。
四、影响真实感图形因素
物体本身形状
照射物体光源
物体与光源相对位置
物体周围环境
*
简单光照模型 一个物体表面为什么会出现 明暗、颜色等，主要由于物体发 光达到人眼的结果。 光照在物体表面上有三种情况： 反射光：光通过物体表面被反射； 透视光：对于透明物体光穿过该物体而从另端射出； 光被物体吸收而变成热。 我们视觉效果是反射光和透视光。
与漫反射不同，镜面反射光与物体颜色无关。
当光源不只一个，而是有m个光源，则上式可写为： 这就是简单光照模型。
Phong光照模型 综上所述，从视点观察到物体表面上任一点亮度I应为环境 光、漫反射光、镜面反射光的总和，即： I＝Ie＋Id＋Is 即： I＝Ie Ka＋Ip (Kd cosθ＋K s cosnφ)
计算机图形学(真实感图形的显示)课件
建筑设计
科学家使用计算机图形学来呈现复杂的数据和模拟结果，帮助人们更好地理解科学概念。
科学可视化
02
CHAPTER
真实感图形的显示技术
纹理映射是一种将二维图像映射到三维表面上的技术，以增加物体的表面细节和真实感。
通过纹理映射，可以模拟出物体的表面纹理、质地和图案，如砖块、木材、石材等。
纹理映射还可以用于实现环境贴图、反射贴图等高级效果，以增强场景的真实感。
计算机图形学(真实感图形的显示)课件
目录
计算机图形学简介真实感图形的显示技术3D模型的构建与渲染实时渲染技术未来展望
01
CHAPTER
计算机图形学简介
01
02
03
计算机图形学用于创建逼真的特效和虚拟场景，为电影和游戏提供视觉上的吸引力。
电影和游戏制作
通过计算机图形学，建筑师可以创建三维模型，进行可视化设计和分析。
03
CHAPTER
3D模型的构建与渲染
一款专业的3D建模和渲染软件，广泛应用于游戏开发、电影制作和广告设计等领域。
3D Studio Max
Blender
Maya
开源的3D图形软件，具备建模、动画、渲染和后期制作等功能。
高端的3D动画软件，适用于电影、电视和游戏开发等领域。
03
02
01
定义模型的表面属性，如颜色、光泽度和纹理等。
材质
为模型添加纹理和细节，使其表面更加逼真。
贴图
通过调整材质和贴图的参数，使模型呈现出更加真实的效果。
材质与贴图的结合
骨骼系统
为模型添加骨骼，并设置骨骼的关节和运动范围。
04
CHAPTER
实时渲染技术
实时渲染技术是一种计算机图形学技术，它能够实时生成具有真实感的图形。
科学家使用计算机图形学来呈现复杂的数据和模拟结果，帮助人们更好地理解科学概念。
科学可视化
02
CHAPTER
真实感图形的显示技术
纹理映射是一种将二维图像映射到三维表面上的技术，以增加物体的表面细节和真实感。
通过纹理映射，可以模拟出物体的表面纹理、质地和图案，如砖块、木材、石材等。
纹理映射还可以用于实现环境贴图、反射贴图等高级效果，以增强场景的真实感。
计算机图形学(真实感图形的显示)课件
目录
计算机图形学简介真实感图形的显示技术3D模型的构建与渲染实时渲染技术未来展望
01
CHAPTER
计算机图形学简介
01
02
03
计算机图形学用于创建逼真的特效和虚拟场景，为电影和游戏提供视觉上的吸引力。
电影和游戏制作
通过计算机图形学，建筑师可以创建三维模型，进行可视化设计和分析。
03
CHAPTER
3D模型的构建与渲染
一款专业的3D建模和渲染软件，广泛应用于游戏开发、电影制作和广告设计等领域。
3D Studio Max
Blender
Maya
开源的3D图形软件，具备建模、动画、渲染和后期制作等功能。
高端的3D动画软件，适用于电影、电视和游戏开发等领域。
03
02
01
定义模型的表面属性，如颜色、光泽度和纹理等。
材质
为模型添加纹理和细节，使其表面更加逼真。
贴图
通过调整材质和贴图的参数，使模型呈现出更加真实的效果。
材质与贴图的结合
骨骼系统
为模型添加骨骼，并设置骨骼的关节和运动范围。
04
CHAPTER
实时渲染技术
实时渲染技术是一种计算机图形学技术，它能够实时生成具有真实感的图形。
计算机图形学ppt课件 第七章真实感图形显
画家算法（列表优先算法）
本算法不能处理的情况： 多边形循环遮挡 多边形相互穿透
解决办法：分割成两个
Z-Buffer算法
➢由来： 帧缓冲器 – 保存各像素颜色值 Z缓冲器 --保存各像素处物体深度值 Z缓冲器中的单元与帧缓冲器中的单元一一对应
屏幕
帧缓冲器
Z缓冲器
每个单元存放对应 象素的颜色值
每个单元存放对应 象素的深度值
射线方程为
x y
d1t d2t
x0 y0
把射线方程代入直线方程得到
(ad1 bd2)t ax0 by0c 0
当 线与a直d线1 重b合d。2 当0a时d,1直线b与d2射线0平时行，,若则还有 ad0 bd0 c 0 ,则整条射
t1 (ax0 by0 c) /(ad1 bd2)
方法：将投影平面上的窗口分成若干小区域；为每个小 区域建立相关物体表，表中物体的投影于该区域有相交 部分；则在小区域中判断那个物体可见时，只要对该区 域的相关物体表中的物体进行比较即可。
方法6-物体分层表示
表示形式：模型变换中的树形表示方式
原理：减少场景中物体的个数，从而降低算法复杂度。
方法6-物体分层表示
当 t1 0 时，二者交点为 (d1t1 x0, d2t1 y0 ) ，当 t1 0 时，无交
点
射线与线段求交问题
假定射线方程如上一样，线段的两端点为 p1(x1, y1), p2(x2, y2) ，则线段的方程为
x y
( x2 ( y2
x1)s y1)s
x1 (0 y1
s
1)
射线方程代入上式得到
则该射线方程为
x y
d1t d2t
x0 y0
(t
计算机图形学课件-第13章-真实感图形PPT教学课件
进行双线性插值，获得多边形内部（位于多边 形内的扫描线上）各点的法矢量； 4）利用光照明方程计算各点的颜色。
两方法的比较
目录
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1） Phong着色方法计算量远大于Gouraud着 色方法
2） Phong着色方法绘制的图形比Gouraud方 法更真实
体现在两个场合：高光区域的扩散 不产生高光区域
2020/10/16
13.1.6 采用多个光源
目录
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多光源照射的光照明方程 小结
图13.11 采用各种光照明模型绘制的球 P307
2020/10/16
13.2 多边形绘制方法
目录
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分类：均匀着色与光滑着色
13.2.1 均匀着色
所适用场景：
1）光源在无穷远处； 2）视点在无穷远处； 3）多边R WATCHING
演讲人: XXX
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第13章 光照明模型与真实感图形绘制
目录
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13.1 简单光照明模型 13.2 多边形绘制方法 13.3 模拟物体表面细节 13.4 透明 13.5 整体光照明模型
2020/10/16
13.1 简单光照明模型
目录
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光照射到物体表面，主要发生： • 反射 • 透射（对透明物体） • 部分被吸收成热能
插值着色方法存在的问题
2020/10/16
13.3 模拟物体表面细节
目 录 13.3.1 表面细节模拟
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光滑表面（简单光照明模型 模拟）
两方法的比较
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1） Phong着色方法计算量远大于Gouraud着 色方法
2） Phong着色方法绘制的图形比Gouraud方 法更真实
体现在两个场合：高光区域的扩散 不产生高光区域
2020/10/16
13.1.6 采用多个光源
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多光源照射的光照明方程 小结
图13.11 采用各种光照明模型绘制的球 P307
2020/10/16
13.2 多边形绘制方法
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分类：均匀着色与光滑着色
13.2.1 均匀着色
所适用场景：
1）光源在无穷远处； 2）视点在无穷远处； 3）多边R WATCHING
演讲人: XXX
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第13章 光照明模型与真实感图形绘制
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13.1 简单光照明模型 13.2 多边形绘制方法 13.3 模拟物体表面细节 13.4 透明 13.5 整体光照明模型
2020/10/16
13.1 简单光照明模型
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光照射到物体表面，主要发生： • 反射 • 透射（对透明物体） • 部分被吸收成热能
插值着色方法存在的问题
2020/10/16
13.3 模拟物体表面细节
目 录 13.3.1 表面细节模拟
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光滑表面（简单光照明模型 模拟）
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IIeIdIs IaKaIpKd(LN)IpKs(RV)n
14
光强衰减
光在传播的过程中，其能量会发生衰减。光照 模型中必须考虑光强衰减，否则会影响生成图 形的真实效果。
光强的衰减可以采用常数衰减、一次函数衰减 和二次函数衰减等。
15
光强衰减
常用的二次衰减函数
1 f(d)m1 i,nc0(c1dc2d2)
计算机图形学真实感图形绘制
基本概念
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。
光强（度）：描述物体表面朝某方向辐射光的 颜色，它既能表示光能大小又能表示其色彩组 成的物理量。
2
基本概念
光照模型（Illumination model），也称明暗模 型，主要用于物体表面某点处的光强度计算。 简单的光照模型 复杂的光照模型
图2 漫反射
9
漫反射光（Diffuse Reflection）
若L和N都已规格化为单位矢量，则有
Id IpKd(LN)
点光源
N
L
P
图2 漫反射
10
漫反射光（Diffuse Reflection）
对于彩色
Ip(IpR ,IpG ,IpB )
IdR I pR KdR (L N )
IdG I pG KdG (L N )
27
透明处理
T( ri sinicors)N ri L
入射光 L
21
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，其步骤为： 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量； 对每个顶点根据简单光照模型来计算其光强； 在多边形表面上将顶点强度进行线性插值。
22
Gouraud明暗处理
i1
i1
19
10.2 基于简单光照模型的多边形绘制
恒定光强 Gouraud明暗处理 Phong明暗处理
20
恒定光强
只用一种颜色绘制整个多边形 光源在无穷远处，则多边形上所有点的L·N 为常数，衰减函数也是一个常数。 视点在无穷远处，则多边形上所有点的V·R 为常数。 多边形是景物表面的精确表示，即不是一个 含曲线面景物的近似表示。
双线性插值方法
y
B
y
S
A
多边形
PT
扫描线
C
O
x
图4 Gouraud 明暗处理的双线性插值
23
Phong明暗处理
Phong明暗处理方法，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，其步骤为： 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量； 用双线性插值方法求得多边形内部各点的法 矢量。 最后按光照模型确定多边形内部各点的光强。
5
10.1 简单光照模型
简单光照模型 环境光 漫反射光 镜面反射光 光强衰减 颜色处理
6
简单光照模型
简单光照模型中只考虑反射光的作用。 反射光由环境光、漫反射光和镜面反射光三部
分组成。
7
环境光（Background Light）
特点：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。
12
镜面反射光
镜面反射情况由Phong模型给出：
Is IpKscons
若R和V已规格化为单
位矢量，则：
N 点光源
观察点
L
R
Is IpKs(RV)n
V
P
图3 镜面反射
13
物体表面光强计算
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：
24
Phong明暗处理
矢量双线性插值方法
y
NB
B
y
NA
A 多边形
NS
NP
NT
S
PT
C
扫描线
NC
O
x
图5 Phong明暗处理的矢量双线性插值
25
10.3 透明处理
入射光
பைடு நூலகம்
入射光
反射光 折射光
透明景物
图6 透明表面的光强包括反射光和折射光
26
透明处理
不透明景物 B
A
透明景物
z
P
x
图7 简单的透明处理
P点对环境光的反射强度为
Ie IaKa
P
图1 环境光的反射
8
漫反射光（Diffuse Reflection）
一个粗糙的、无光泽的表面呈现为漫反射。
特点：光源来自一个方向，反射光均匀地射向
各个方向。
点光源
N
L
由Lambert余弦定理可
得点P处漫反射光的强度为：
IdIpKdco,s[0,2]
P
18
颜色
光强计算公式：
n
n
IR IaRKaR f(di)IpR,iKdR(Li N) f(di)IpR,iKsR(Hi N)n
i1
i1
n
n
IG IaGKaG f(di)IpG,iKdG(Li N) f(di)IpG,iKsG(Hi N)n
i1
i1
n
n
IB IaBKaB f(di)IpB,iKdB(Li N) f(di)IpB,iKsB(Hi N)n
IdB I pB KdB (L N )
对于多个漫反射光源
n
Id Ip,iKd(Li N) i1 11
镜面反射光
镜面反射遵循反射定律，入射光和反射光分别 位于表面法矢的两侧。
如果观察者正好处在P点的镜面反射方向上，就
会看到一个比周围 亮得多的高光点。
点光源 L
N 观察点 R
V
P
图3 镜面反射
3
基本概念
真实感图形绘制过程 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。
4
基本概念
真实感图形绘制步骤 在计算机中进行场景造型； 进行取景变换和透视变换； 进行消隐处理； 进行真实感图形绘制。
IIeIdIs
n
n
IaK a f(di)Ip,iK d(L iN ) f(di)Ip,iK s(H iN )n
i 1
i 1
16
颜色
选择颜色模型（color model） 面向硬件的颜色模型：RGB、CYM 面向视觉感知的颜色模型：HSI
为颜色分量指定光照模型
17
颜色
以RGB颜色模型为例 环境光强度：Ia(IaR ,IaG ,IaB ) 入射光强度： Ip(IpR ,IpG ,IpB ) 环境光反射系数： K a(K a,R K aG ,K a)B 漫反射系数： K d(K d,R K dG ,K d)B 镜面反射系数：K s(K sR ,K sG ,K sB )
14
光强衰减
光在传播的过程中，其能量会发生衰减。光照 模型中必须考虑光强衰减，否则会影响生成图 形的真实效果。
光强的衰减可以采用常数衰减、一次函数衰减 和二次函数衰减等。
15
光强衰减
常用的二次衰减函数
1 f(d)m1 i,nc0(c1dc2d2)
计算机图形学真实感图形绘制
基本概念
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。
光强（度）：描述物体表面朝某方向辐射光的 颜色，它既能表示光能大小又能表示其色彩组 成的物理量。
2
基本概念
光照模型（Illumination model），也称明暗模 型，主要用于物体表面某点处的光强度计算。 简单的光照模型 复杂的光照模型
图2 漫反射
9
漫反射光（Diffuse Reflection）
若L和N都已规格化为单位矢量，则有
Id IpKd(LN)
点光源
N
L
P
图2 漫反射
10
漫反射光（Diffuse Reflection）
对于彩色
Ip(IpR ,IpG ,IpB )
IdR I pR KdR (L N )
IdG I pG KdG (L N )
27
透明处理
T( ri sinicors)N ri L
入射光 L
21
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，其步骤为： 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量； 对每个顶点根据简单光照模型来计算其光强； 在多边形表面上将顶点强度进行线性插值。
22
Gouraud明暗处理
i1
i1
19
10.2 基于简单光照模型的多边形绘制
恒定光强 Gouraud明暗处理 Phong明暗处理
20
恒定光强
只用一种颜色绘制整个多边形 光源在无穷远处，则多边形上所有点的L·N 为常数，衰减函数也是一个常数。 视点在无穷远处，则多边形上所有点的V·R 为常数。 多边形是景物表面的精确表示，即不是一个 含曲线面景物的近似表示。
双线性插值方法
y
B
y
S
A
多边形
PT
扫描线
C
O
x
图4 Gouraud 明暗处理的双线性插值
23
Phong明暗处理
Phong明暗处理方法，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，其步骤为： 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量； 用双线性插值方法求得多边形内部各点的法 矢量。 最后按光照模型确定多边形内部各点的光强。
5
10.1 简单光照模型
简单光照模型 环境光 漫反射光 镜面反射光 光强衰减 颜色处理
6
简单光照模型
简单光照模型中只考虑反射光的作用。 反射光由环境光、漫反射光和镜面反射光三部
分组成。
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环境光（Background Light）
特点：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。
12
镜面反射光
镜面反射情况由Phong模型给出：
Is IpKscons
若R和V已规格化为单
位矢量，则：
N 点光源
观察点
L
R
Is IpKs(RV)n
V
P
图3 镜面反射
13
物体表面光强计算
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：
24
Phong明暗处理
矢量双线性插值方法
y
NB
B
y
NA
A 多边形
NS
NP
NT
S
PT
C
扫描线
NC
O
x
图5 Phong明暗处理的矢量双线性插值
25
10.3 透明处理
入射光
பைடு நூலகம்
入射光
反射光 折射光
透明景物
图6 透明表面的光强包括反射光和折射光
26
透明处理
不透明景物 B
A
透明景物
z
P
x
图7 简单的透明处理
P点对环境光的反射强度为
Ie IaKa
P
图1 环境光的反射
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漫反射光（Diffuse Reflection）
一个粗糙的、无光泽的表面呈现为漫反射。
特点：光源来自一个方向，反射光均匀地射向
各个方向。
点光源
N
L
由Lambert余弦定理可
得点P处漫反射光的强度为：
IdIpKdco,s[0,2]
P
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颜色
光强计算公式：
n
n
IR IaRKaR f(di)IpR,iKdR(Li N) f(di)IpR,iKsR(Hi N)n
i1
i1
n
n
IG IaGKaG f(di)IpG,iKdG(Li N) f(di)IpG,iKsG(Hi N)n
i1
i1
n
n
IB IaBKaB f(di)IpB,iKdB(Li N) f(di)IpB,iKsB(Hi N)n
IdB I pB KdB (L N )
对于多个漫反射光源
n
Id Ip,iKd(Li N) i1 11
镜面反射光
镜面反射遵循反射定律，入射光和反射光分别 位于表面法矢的两侧。
如果观察者正好处在P点的镜面反射方向上，就
会看到一个比周围 亮得多的高光点。
点光源 L
N 观察点 R
V
P
图3 镜面反射
3
基本概念
真实感图形绘制过程 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。
4
基本概念
真实感图形绘制步骤 在计算机中进行场景造型； 进行取景变换和透视变换； 进行消隐处理； 进行真实感图形绘制。
IIeIdIs
n
n
IaK a f(di)Ip,iK d(L iN ) f(di)Ip,iK s(H iN )n
i 1
i 1
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颜色
选择颜色模型（color model） 面向硬件的颜色模型：RGB、CYM 面向视觉感知的颜色模型：HSI
为颜色分量指定光照模型
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颜色
以RGB颜色模型为例 环境光强度：Ia(IaR ,IaG ,IaB ) 入射光强度： Ip(IpR ,IpG ,IpB ) 环境光反射系数： K a(K a,R K aG ,K a)B 漫反射系数： K d(K d,R K dG ,K d)B 镜面反射系数：K s(K sR ,K sG ,K sB )