计算机图形学第8章真实感图形绘制.ppt
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最新研究生计算机图形学-第8章教学讲义PPT课件
第8章 真 实 感 图 形
用计算机绘制或显示真实感图形具有很高的实用价值。例 如，建筑设计师们在进行建筑设计时，可以不必制作精致的模 型， 而是将他们的构思通过在计算机上绘制真实感图形表达出 来，如不满意可随时进行修改。 再如在各种工业产品的设计中， 也无须制作实物模型来检查设计的效果。特别是对那些外形美 感要求较高的产品， 反复制作模型， 将耗费大量的人力物力。 采用计算机绘制真实感图形，可方便地在屏幕上显示产品各个 角度的图像，并在屏幕上直接对外形进行交互式修改，在达到 最佳设计效果的同时，还可以大大缩短设计周期。除此之外， 真实感图形绘制技术在战斗模拟、飞行训练、 医学、 分子结构 研究、 计算机动画及影视广告等领域都具有广阔的应用前景。
研究生计算机图形学第8章第来自章 真 实 感 图 形8.1 概 述
真实感图形是综合利用数学、物理学、计算机科学以及其 他科学技术在计算机图形设备上生成的、像彩色照片那样逼真 的图形。近些年来，随着多色彩、高分辨率光栅图形设备的普 及，真实感图形绘制技术在各领域中得到了广泛的应用，并日 益受到人们的重视。随着各种新的光照明模型的问世，特别是 以光线跟踪和辐射度方法为代表的全局光照明模型的问世，真 实感图形生成技术被注入了新的活力，其发展速度极快。
空间各方向均匀反射出去的光。我们可以使用郎伯余弦定律计
算这种反射光。对于一个漫反射体，表面的反射光亮度和光源
入射角的余弦成正比， 即
I=Id cosα
(8-1)
第8章 真 实 感 图 形
其中：I
Id α为光源的入射角，如图 8.2.1 所示。
由式(8-1)可知，观察一个漫反射体时，人眼接收到的光亮 度与观察者的位置无关。这种反射称为漫反射。图 8.2.1 表示将 式(8-1)用于球面的情形。因为点A的光线入射角为0°，所以发 出的光亮度最大，其值为Id，而点B和B′的光亮度就比点A处弱。 因为点C和C′的光线入射角为90°，故发出的光亮度为零。
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
2021/3/2
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
真实感图形显示技术优秀课件
• 在上述三部分光中，仅仅是透射光和反射光能够进 入人眼产生视觉效果。为模拟这一现象，我们建立 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模型。
2021/3/4
计算机图形学
8
8.2.1 环境光
• 环境光是这样一种光 线，它不来自任何特 殊方向；它有光源， 但是被周围的房间或 场景多次反射，最终 达到平衡，以致于变 得没有方向，又称为 背景光。被环境光照 射的物体表面的各个 方向都均等受光，如 图8.7所示。
2021/3/4
计算机图形学
6
8.1.3 HSV颜色模型
• 图8.4 HSV颜色模型
图8.5 颜色三角形
2021/3/4
计算机图形学
7
8.2 光 照 模 型
• 当光照射到一个物体表面上时，会出现三种情形： 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 面吸收而转换成热。
• ③ 检索数据文件，核查消隐后的图形中是否包含有 光照模型下的“隐藏面”。若有，则加以阴影符号 标识图形学
13
8.3.2 阴影体
• 在物体空间中，按照阴影的定义，若光源 照射到的物体表面是不透明的，那么在该 表面后面就会形成一个三维的多面体阴影 区域，该区域被称为阴影体(Shadow Volume)。
• 点光源是发光体的最简单的模型，光线从 一点出发，均匀地向四周发散。它是对场 景中比物体小得多的光源的合理的近似。 离场景足够远的光源，如太阳，也可以用 点光源来较好地模拟。
• 柱光源或锥光源是发出的光线有一定方向 的发光体，像手电筒、探照灯等。
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计算机图形学
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计算机图形学
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8.2.1 环境光
• 环境光是这样一种光 线，它不来自任何特 殊方向；它有光源， 但是被周围的房间或 场景多次反射，最终 达到平衡，以致于变 得没有方向，又称为 背景光。被环境光照 射的物体表面的各个 方向都均等受光，如 图8.7所示。
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计算机图形学
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8.1.3 HSV颜色模型
• 图8.4 HSV颜色模型
图8.5 颜色三角形
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计算机图形学
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8.2 光 照 模 型
• 当光照射到一个物体表面上时，会出现三种情形： 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 面吸收而转换成热。
• ③ 检索数据文件，核查消隐后的图形中是否包含有 光照模型下的“隐藏面”。若有，则加以阴影符号 标识图形学
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8.3.2 阴影体
• 在物体空间中，按照阴影的定义，若光源 照射到的物体表面是不透明的，那么在该 表面后面就会形成一个三维的多面体阴影 区域，该区域被称为阴影体(Shadow Volume)。
• 点光源是发光体的最简单的模型，光线从 一点出发，均匀地向四周发散。它是对场 景中比物体小得多的光源的合理的近似。 离场景足够远的光源，如太阳，也可以用 点光源来较好地模拟。
• 柱光源或锥光源是发出的光线有一定方向 的发光体，像手电筒、探照灯等。
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计算机图形学
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。
《真实感图形》课件
真的视觉效果。
谢谢您的聆听
THANKS
通过表面细节模拟，可以模拟出物体表面的微观纹理和结构，如皮肤毛孔、金属划痕等，进一步提高 图形的真实感。
03
真实感图形的制作流程
建模阶段
3D模型创建
使用三维建模软件（如Blender、3ds Max等）创建物体模型。
细节处理
对模型进行细节调整，包括平滑表面、修 复错误等。
模型优化
简化模型结构，降低多边形数量，以提高 渲染效率。
案例三：建筑物的真实感表现
总结词：细节丰富
详细描述：该案例展示了如何使用计算机图 形技术来创建具有高度真实感的建筑物模型 。通过精细的模型构建、纹理映射和光照模 型，再现了建筑物的每一个细节，包括砖石 纹理、窗户结构、阴影效果等，使建筑物看 起来更加生动和真实。同时，还探讨了如何 将建筑物与周围环境相结合，营造出更加逼
高级渲染技术应用
使用全局光照、光线追踪等高级渲染技术 ，增强真实感。
后期处理阶段
01
02
03
图像合成
将渲染出的图像与背景进 行合成，以形成完整的场 景。
色彩校正
调整图像的色彩、亮度等 ，使图像更加自然。
特效添加
根据需要添加一些特效， 如景深、运动模糊等，以 增强画面表现力。
04
真实感图形的挑战与未来发展
材质与贴图阶段
材质设定
为模型设定合适的材质属 性，如颜色、光泽度、纹
理等。
纹理贴图
为模型添加纹理贴图，以 增加表面细节和质感。
贴图调整
调整纹理贴图的尺寸、角 度和偏移，使其与模型表
面匹配。
光照与渲染阶段
灯光设置
根据场景需求设置合适的光源，包括主光 源、辅助光源等。
谢谢您的聆听
THANKS
通过表面细节模拟，可以模拟出物体表面的微观纹理和结构，如皮肤毛孔、金属划痕等，进一步提高 图形的真实感。
03
真实感图形的制作流程
建模阶段
3D模型创建
使用三维建模软件（如Blender、3ds Max等）创建物体模型。
细节处理
对模型进行细节调整，包括平滑表面、修 复错误等。
模型优化
简化模型结构，降低多边形数量，以提高 渲染效率。
案例三：建筑物的真实感表现
总结词：细节丰富
详细描述：该案例展示了如何使用计算机图 形技术来创建具有高度真实感的建筑物模型 。通过精细的模型构建、纹理映射和光照模 型，再现了建筑物的每一个细节，包括砖石 纹理、窗户结构、阴影效果等，使建筑物看 起来更加生动和真实。同时，还探讨了如何 将建筑物与周围环境相结合，营造出更加逼
高级渲染技术应用
使用全局光照、光线追踪等高级渲染技术 ，增强真实感。
后期处理阶段
01
02
03
图像合成
将渲染出的图像与背景进 行合成，以形成完整的场 景。
色彩校正
调整图像的色彩、亮度等 ，使图像更加自然。
特效添加
根据需要添加一些特效， 如景深、运动模糊等，以 增强画面表现力。
04
真实感图形的挑战与未来发展
材质与贴图阶段
材质设定
为模型设定合适的材质属 性，如颜色、光泽度、纹
理等。
纹理贴图
为模型添加纹理贴图，以 增加表面细节和质感。
贴图调整
调整纹理贴图的尺寸、角 度和偏移，使其与模型表
面匹配。
光照与渲染阶段
灯光设置
根据场景需求设置合适的光源，包括主光 源、辅助光源等。
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简单光照明模型-镜面反射
• 镜面反射 Is IpKscons 或 Is IpKs(VR)n
• Is为镜面反射光强。 I p点光源的亮度 –Ks是与物体有关的镜面反射系数。n为镜面反射指数，n越
大，则Is随a的增大衰减的越快。
– n的取值与表面粗糙程度有关。
–n越大，表面越平滑（散射现象少，稍一偏离，明 暗亮度急剧下降）
• I d 漫反射的亮I度dIpKdco s [0,2]
• I p 点光源的亮度 • K d 漫反射系数 • 入射角 漫反射光的强度
只与入射角有关
简单光照明模型-漫反射
• 将环境光与漫反射结合起来
I Ie Id Ia K a Ip K d(L N )
一般取Ia= (0.02~0.2)Id
• 例子
简单光照明模型-镜面反射
• 理想镜面反射
• 观察者只能在反射方向上才能看到反射 光，偏离了该方向则看不到任何光。
简单光照明模型-镜面反射
• 非理想镜面反射
I = Ip K scosna
光滑平面 镜面
• P为物体表面上一点，L为从P指向光源的单位 矢量，N为单位法矢量，R为反射单位矢量，V 为从P指向视点的单位矢量
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。
• 光照明方程（仅含环境光）： Ie = KaIa Ie为物体表面所呈现的亮度。
简单光照明模型- 环境光例子
• 具有不同环境光反射系数的两个球
Ia 1.0
Ka 0.4
Ka 0.8
简单光照明模型-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。
• 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
• 1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值 的思想
• 1975年，Phong提出图形学中第一个有影 响的光照明模型
相关物理知识
IIeIdIs IaKaIp[Kd(LN)Ks(VR)n]
简单光照明模型-Phong光照明模
型的实现
• 对物体表面上的每个点P，均需计算光线
的反射方向。为了减少计算量，假设：
–光源在无穷远处，L为常向量
–视点在无穷远处，V为常向量
– （H•N）近似（R•V），H为L与V的平分向量
L
NH R
• 对所有的点总共
简单光照明模型-漫反射
缺点：对于许多物体，使用上式计算其反 射光是可行的，但对于大多数的物体， 如擦亮的金属、光滑的塑料等是不适用 的，原因是这些物体还会产生镜面反射。
简单光照明模型-镜面反射
• 镜面反射
– 光滑物体（如金属或塑料）表面对光的反射
• 高光
– 入射光在光滑物体表面形成的特别亮的区域
– 下标为i,d,s,t,v的能量项分别表示为入射光强， 漫反射光强，镜面反射光强，透射光强，吸 收光强
–能量是守恒的
简单光照明模型
模拟物体表面的光照明物理现象的数学 模型－光照明模型 简单光照明模型亦称局部光照明模型， 其假定物体是不透明的，只考虑光源的 直接照射，而将光在物体之间的传播效 果笼统地模拟为环境光。 可以处理物体之间光照的相互作用的模 型称为整体光照明模型
简单光照明模型
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
反射光，透射光决定了物体所呈现的颜 色
简单光照明模型-环境光
假定物体是不透明的（即无透射光）
• 环境光：在空间中近似均匀分布，即在任何位置、 任何方向上强度一样,记为Ia
• 环境光反射系数Ka：在分布均匀的环境光照射
只需计算一次H的
b
V 值，节省了计算
第8章 真实感图形绘制
• 简单光照明模型 • 多边形绘制方法
光照模型(Illumination Model):计算某 一点的光强度的模型
真实感图形的特点
• 能反映物体表面颜色和亮度的细微变化 • 能表现物体表面的质感 • 能通过光照下的物体阴影，极大地改善场景的
深度感和层次感，充分体现物体间的相互遮挡 关系 • 能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜面 效果
简单光照明模型
• 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
• 点光源的照射：在物体的不同部分其亮度也不
同，亮度的大小依赖于物体的朝向及它与点光源之间 的距离.
简单光照明模型：-漫反射角度余 弦的推导
• 漫反射
– 粗糙、无光泽物体（如粉笔）表面对光的反射 – 光照明方程
• 光的传播
– 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
光源 入射光
法向量 反射光 视线
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 1 s in
2 sin
入射光
1
2
折射光
能量关系
–在光的反射和折射现象中的能量分布：
Ii IdIsItIv
–n越小，表面越毛糙（散射现象严重）
简单光照明模型-镜面反射
–反射方向计算
–L在N上的投影矢量为Ncos ，则S+L= Ncos 记矢量S= Ncos-L
则有R= Ncos&N N L L S N S R
L
V
简单光照明模型-Phong光照明模型
• 简单光照明模型模拟物体表面对光的反 射作用,光源为点光源
影响观察者看到的表面颜色的因素
①物体的几何形状
②光源 位置、距离、颜色、数量、强度、种类
③环境 遮挡关系、光的反射与折射、阴影
④视点位置
⑤物性
材料、颜色、透明度 折射性
⑥表面光洁度
①几何性质
–点光源 –线光源 –面光源
光源
②光谱组成
–白色光：等能量的各种波长可见光的组合 –彩色光 –单色光
真实感图形学早期发展
• 反射作用分为
–物体间作用用环境光(Ambient Light) –漫反射(Diffuse Reflection) –镜面反射(Specular Reflection)
简单光照明模型-Phong光照明模型
• Phong光照明模型的综合表述：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。