整体光照模型与光线跟踪ppt讲解
PowerPoint 演示文稿 - 西南财经大学

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
相关物理知识
• 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 sin 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:
i 1 i
m
pi
[ K d Cd ( Li N ) K sCs (V Ri ) ]
n
简单光照明模型-多个光源
– 例子:其中a图:线框图 b图:环境光 c图:增加漫反射 d图:增加镜面反射 e图:增加光的衰减 f图:两个点光源
Phong光照明模型的不足
• 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 • 经验模型,Phong模型存在不足:
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 N H
b
R
V
a
• 对所有的点总共 只需计算一次H的 值,节省了计算 时间
计算机图形学第10讲整体光照明模型精选全文

• 解方程有 t B B2 4C
2
– B2 4C 0,光线与球无交 – B2 4C 0,光线与球相切,t=-B/2 –B2 4C 0,光线与球有两个交点
– t<0,交点无效 – t代入光线参数方程,可求得交点坐标
计算机图形学
• 交点的坐标 (xi , yi , zi )
(x xc )2 ( y yc )2 (z zc )2 R2
• 代入 At2 Bt C 0 合并 A xd 2 yd 2 zd 2 1 有: B 2[xd (x0 xc ) yd ( y0 yc ) zd (z0 zc )]
C (x xc )2 ( y yc )2 (z zc )2 R2
• 根据景物的分布情况,将相距较近的景 物组成一组局部场景,相邻各组又组成 更大的组
• 整个景物空间组织成树状的层次结构
计算机图形学
• 层次包围盒示意图
计算机图形学
• 求交测试方法
– 测试光线首先进入该层次的根节点,并从根 节点开始,从上向下与各相关节点的包围盒 进行求交测试。若一节点的包围盒与光线有 交,则光线将递归地与其子节点进行求交测 试,否则,该节点的所有景物均与光线无交 ,该节点的子树无需作求交测试
计算机图形学
• 计算光线起点到光线与球交点的距离来 计算交点的位置
t tca th2c tca R2 L2oc tc2a
• t代入光线的参数方程,可以得到交点的 位置
计算机图形学
• 交点的坐标
(xi , yi , zi ) (x0 xd t, y0 yd t, z0 zd t)
• 光线跟踪加速技术是实现光线跟踪算法 的重要组成部分
计算机图形学
• 包括:
– 提高求交速度:针对性的几何算法、... – 减少求交次数:包围盒、空间索引、... – 减少光线条数:颜色插值、自适应控制、... – 采用广义光线和采用并行算法等
真实感图形绘制(光照模型 视无关)课件

10800 rays used in lighting pass.Note:-improved caustic definition,-lighting effect of mirror, -reflection of caustic,-shadowing due to mirror lighting.CausticsFrom Alan Watt, “3D Computer Graphics”Standard raytracer:Diffuse table and blue ball,mirrors left, right and back, transparent red ballBi-directional raytracer More rays in the light passSingle Pass (Conventional RT)Note : caustic due to red transparent ballHenrik http://www.gk.dtu.dk/~hwjBidirectional example200 rays used in lighting pass 400 rays used in lighting passRefraction causticsHenrik http://www.gk.dtu.dk/~hwj15Direct illumination 16Global Illumination17eyediagram photograph:18Original sculpture by John Ferren lit by daylight from behind.Image rendered with radiosity. note color bleeding effects.Ray traced image. A standard ray tracer cannot simulate the interreflection of light between 19Radiosity vs. Ray TracingRay-tracingView-dependentSpecular and refractionRadiosityView-independent Diffuse only20Radiosity vs. Ray Tracing•Ray tracing is an algorithm–If the camera is moved, we have to start over•Radiosity is computed in object-space–View-independent (just don't move the light)–Can pre-compute complex lighting to allow interactive walkthroughs26The Rendering EquationxMuseum simulation. Program of Computer Graphics, Cornell University.50,000 patches. Note indirect lighting from ceiling.32Radiosity Overview在辐射度方法中,所有的景物表面都假设为理想的朗伯漫反射表面所有的入射光在各个方向上反射的光强都一样整个场景被划分为一系列的小区域(small areas, or patches )设小区域i 向外辐射的所有能量的辐射度为Bi,并认为在i 内所有地方的辐射度为一个常数单位如下,表示单位立体角单位面积的瓦特数:Watts / steradian * meter 2x'ω'x'xxx’Discrete Radiosity EquationA iA j•discrete representation•iterative solution•costly geometric/visibility calculationspatches, over which the radiosity =i B The Radiosity Matrix求解该矩阵,就可以为每一个patch 得到一个B i ,它与视点是无关的。
第9章 光照模型02

上海交通大学计算机系 何援军
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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
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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
2005年7月5日 上海交通大学计算机系 何援军 14
9.5.3 光线跟踪算法
光线跟踪算法构成的光线树
2005年7月5日
上海交通大学计算机系 何援军
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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整体光照模型与光线跟踪.ppt

2021/3/17
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此时,光线在离视点最近的景物表面交点处的走向有以下三种可能: 1) 当前交点所在的景物表面为理想漫射面。跟踪结束。 2) 当前所在的景物表面为理想镜面.光线沿其镜面反射方向继续跟踪。 3) 当前交点所在的景物表面为规则透射面.光线沿其规则透射方向继续 跟踪。
显然,上述过程是一个递归跟踪过程。 对每一根穿过屏幕象素中心的光线的跟踪 构成了一棵二叉树。
面反射光。简单光透射模 型把透射光分为理想漫透 射和规则透射。
由光源发出的光称为直接光,物体对直接光的反射或折 射称为直接反射和直接折射。
把物体表面间对光的反射和折射称为间接光、间接反射、 间接折射。这是光线在物体间的传播方式,是光线跟踪算法 的基础。
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最基本的光线跟踪算法是跟踪镜面反射和折射。
对于上述的这些问题,就必须要有一个更精确的光照明模型。 整体光照明模型就是这样的一种模型,它是相对于局部光照明模 型而言的。在现有的整体光照明模型中,主要有光线跟踪和辐射 度两种绘制方法。
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4.0 光线跟踪算法的基本思想
光线跟踪算法是真实感图形学中的主要算法之一, 算法具有原理简单、实现方便和能够生成各种逼真的视 觉效果等优点。
图 镜面反射光
Ks是与物体有关的镜面反射系数,α为视线方向V与反射方向R 的夹角,n为反射指数,反映了物体表面的光泽程度,一般为1~ 2000,数目越大物体表面越光滑。
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镜面反射光将会在反射方向附近形成很亮的光斑,称为高光 现象。
镜面反射光产生的高光区域只反映光源的颜色 将V和R都格式化为单位向量, 镜面反射光强可表示为:
1.0光照效果影响因素
《真实感光照效果》幻灯片PPT

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Ray-Tracing: Why Use It?
Simulate rays of light Produces natural lighting effects Reflection
Fall 2021
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Ray-Tracing: Why Use It?
5
Locally illuminated test scene.
Phong shading. Ambient, diffuse and Specular terms.
Notes : • Highlight on wall from light is in the wrong place
6
Comparison.
Flat
Gouraud
Phong
Coarser mesh
7
Use Local illumination.
• No. • In our test scene, we can’t represent :
✓ Mirror ✓ Chrome teapot. ✓ Shiny floor ✓ Shadows • with local illumination.
R
2
N2 R
1
L2
T3
T1 N3
R
3
N1
L1
L3
Eye
L1
R
T1
1
L2
L3
Ni surface normal Eye
R
2
R
T3
3
Ri reflected ray
Li shadow ray Ti transmitted (refracted) ray
小学科学光线与视觉课件ppt

光线在同种均匀介质中沿直线传 播,当遇到不同介质或物体时, 会发生反射、折射等现象。
光源种类与特点
01
02
03Βιβλιοθήκη 自然光源如太阳、星星等,能够自 然发光,提供稳定的光照 。
人造光源
如灯泡、荧光灯等,通过 电能、化学能等转化为光 能,具有可控性和多样性 。
光源特点
不同的光源具有不同的发 光原理、光谱分布和光照 强度等,对视觉产生不同 影响。
光线传播速度与介质关系
传播速度
光在不同介质中的传播速度不同,真 空中最快,约为3亿米/秒。
介质关系
光在传播过程中,遇到不同介质时, 会发生折射现象,折射角与入射角和 介质折射率有关。
反射、折射现象及原理
反射现象
光线遇到物体表面时,会发生反 射现象,反射角等于入射角,且 反射光线与入射光线位于同一平
小学科学光线与视觉
• 光线基本概念与性质 • 视觉系统结构与功能 • 光线对视觉影响分析 • 实验探究:观察不同条件下物体
颜色变化 • 保护眼睛,正确使用光源 • 总结回顾与拓展延伸
目录
01
光线基本概念与性质
光线定义及传播方式
光线定义
光线是表示光的传播路径和方向 的几何线,是一种理想化的物理 模型,用来描述光的传播特性。
面内。
折射现象
光线从一种介质斜射入另一种介 质时,会发生折射现象,折射角
与入射角和介质折射率有关。
原理
反射和折射现象都遵循光的传播 规律和光学原理,是光的基本特 性之一。通过反射和折射现象, 可以解释许多光学现象和视觉感
受。
02
视觉系统结构与功能
眼睛解剖结构及功能区域划分
角膜
位于眼球最外层,透明 且具有弹性,主要起到 折射光线和保护眼球的
光照模型PPT课件

.
17
3. 镜面反射与Phong模型
镜面反射是指来自具体光源的光能到达可见表面
上的某一点后,主要沿着由入射角等于反射角所决定 的方向传播,从而使得观察者从不同角度观察时,这 一点呈现的亮度并不相同。在任何有光泽的表面上都 可以观察到镜面反射的效果。
在理想的光泽表面上,例如在非常好的镜面上,
反射光线只是在由入射角等于反射角所确定的方向上 才有。这意味着只有当观察者相对表面的方向V与反射 光线的方向R之间的夹角为零时,才能看到镜面反射 引起的反射光线。对于不是非常理想的光泽表面,例 如一个苹果,反射光线引起的亮度随着的增大而迅速 下降。
以简单地利用向量内积计算余弦值:co sRV 。
.
20
对W(θ),通常根据经验选取一个常数Ks来代替, 这样公式(7)可写成下面更容易计算的形式:
IIa .K arI p kK dL N K S(R V )n (8
实验表明,应用计算公式(8)已经可以得到很好的 具有明暗表现的画面,这个公式是形成具有明暗表现 画面的良好基础。
.
19
对实际物质来说,被镜面反射的入射光的数量是 与入射角θ有关的。如果将镜面反射光的百分数记为 W(θ) ,那么就可以将计算表面亮度的公式(6)修改 而得到:
I IaK a rI p kK dco W scn os(7
假定反射光线的方向向量R和指向观察点的向量V都 已经正规化,即已经是长度为1的单位向量,于是可
•
当Z0∈[Zb,Zf]时,S0=Sb+
Sf Zf
S Z
(b Z0-Zb)
b
.
27
.
28
亮度I(由光照明模型记算出来的值)按比
例S0与亮度Idc混合,目的是获得最终用于显示 的亮度I’, Idc由用户指定,
第九讲光照明模型

• 在一个多边形内采用恒定强度
– Gouraud shading
• 计算网格顶点的光亮度值 • 通过双线性插值得到网格内部顶点光亮度值
– Phong shading
• 计算网格顶点的法向量 • 通过双线性插值得到网格内部顶点的法向量 • 计算各点的光亮度值
三种明暗处理方法的对比
GPU实现的光线跟踪
• nVidia Optix framework built on top of CUDA
– CUDA is a parallel computing platform for nVidia GPUs – Allows C/C++ and Fortran code to be compiled and run on nVidia GPUs – Optix is a programmable ray tracing framework that allows developers to quickly build ray tracing applications
光线跟踪加速
• 90%的计算用于相交测试 • 加速相交测试和相交计算?
– 加速数据结构
• 并行?
– 似乎可以并行,每个像素点的光线是独立的 – 困难
• 复杂的场景数据 • 复杂的递归跟踪 • 大量的浮点数计算
– 可在拥有多CPU的集群上并行
实时光线跟踪
• GPU上的光线跟踪
– Nvidia Kepler architecture capable of real time ray tracing • Demo at GTC 2012: http://youtu.be/h5mRRElXyw?t=2m5s
02-配合视频讲解全局光照以及其中的光线追踪算法。

4 效果演示
光线追踪
4 效果演示
光线追踪
4 效果演示
光线追踪
4 效果演示
光线追踪
4 效果演示
路径追踪
4 效果演示
路径追踪
4 效果演示
路径追踪
4 效果演示
全局光照
游戏《天国:拯救》开启全局光照前后对比图
4 效果演示
全局光照
谢谢
接光照。 全局光照 = 直接光照 + 间接光照
来自哪里?
视点 (观察点)
V 观察平面
反射光R N
折射光T
2 Whitted光透射模型
Phong模型
Whitted光透射模型
2 Whitted光透射模型
Whitted光透射模型 = Phong模型 + 透射光强
原始的Phong模型 I=IaKa+IpKd(L∙N)+IpKs(R∙V)n
I=IaKa+IpKd(L∙N)+IpKs(R∙V)n +ItKt + IrKr
2 Whitted光透射模型
光照明模型的发展
Phong模型 Blin-Phong模型
I=IaKa+IpKd(L∙N)+IpKs(R∙V)n I=IaKa+IpKd(L∙N)+IpKs(H∙N)n
Whitted光透射模型
点光源
L
能看见透射光的物体
N R
θθ α
P
折射光
观察者
V
可以看见透射出的折射光 透射光强=ItKt 其中: It是折射方向光强 Kt是透射系数 Whitted光透射模型
I=IaKa+IpKd(L∙N)+IpKs(R∙V)n +ItKt
小学教育ppt课件教案光的反射和折射的光线追踪

光从水或其他介质斜射入空气中时,折射角大…
当光从水或其他介质斜射入空气时,折射角大于入射角,即折射光线远离法线方向偏折。
彩虹是太阳光经过雨滴的折射、反射和色散作用而形成的彩色圆弧。不同颜色的光在雨滴中的折射率不同,因此被分散成不同的角度,形成彩虹。
彩虹
在日出和日落时,太阳光经过大气层的折射作用,使得红色光更容易穿透大气层而被我们看到。因此,日出和日落时的天空呈现出红色。
实时光线追踪技术
随着计算机硬件性能的提升和算法的优化,实时光线追踪技术将成为未来发展的重要方向。它将使得游戏、虚拟现实等应用场景能够实时生成逼真的光影效果,提升用户体验。
光线追踪与其他技术的融合
光线追踪技术可以与深度学习、物理模拟等技术相结合,进一步提升图像渲染的真实感和效率。例如,利用深度学习技术预测光线的传播路径,可以减少光线追踪的计算量,提高渲染速度。
定义物体材质
模拟环境中的光线,为场景提供均匀的照明效果。
设置环境光
从摄像机出发,向场景中发射光线。
发射光线
当光线遇到物体表面时,根据物体表面的反射属性,计算反射光线的方向和颜色。
追踪反射光线
当光线穿过透明或半透明物体时,根据物体的折射属性和光线的入射角度,计算折射光线的方向和颜色。
追踪折射光线
综合考虑反射、折射和环境光等因素,计算每个像素点的最终颜色,并生成图像。
光的折射原理及实例
折射光线、入射光线和法线在同一平面内
当光线从一个介质斜射入另一个介质时,折射光线、入射光线和法线都在同一平面内。
折射光线和入射光线分居法线两侧
折射光线和入射光线分别位于法线的两侧,且入射角不等于折射角。
光从空气斜射入水或其他介质中时,折射角小…
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对多个光源:
图 镜面反射光
2020/9/23
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2.3 环境光
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。
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。例如,透过厚厚云层的阳光 就可以称为环境光。
在简单光照明模型中,用一个常数来模拟环境光,用式子 表示为:
在真实感图形学对光线跟踪算法的研究中,Whitted 提出了第一个整体光照模型,并给出一般性光线跟踪算 法的范例,综合考虑了光的反射、折射透射、阴影等。
2020/9/23
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由光源发出的光到达物 体表面后,产生反射、折射、 透射,简单光照明模型和光 透射模型模拟了这两种现象。
简单光照明模型只考虑物 体对直接光照的反射作用, 而物体间接的光反射作用, 只用环境光(Ambient Light)来表示。
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2.1理想漫反射
当光源来自一个方向时,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,因而可假定漫反射光的 空间分布是均匀的。
不妨设:
对于上述的这些问题,就必须要有一个更精确的光照明模型。 整体光照明模型就是这样的一种模型,它是相对于局部光照明模 型而言的。在现有的整体光照明模型中,主要有光线跟踪和辐射 度两种绘制方法。
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4.0 光线跟踪算法的基本思想
光线跟踪算法是真实感图形学中的主要算法之一, 算法具有原理简单、实现方便和能够生成各种逼真的视 觉效果等优点。
当光照射到物体表面时,物体对光会发生反射、透射、吸 收、衍射、折射和干涉。
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在正常的情况下,光沿着直线传播,当光遇到介质不同的表面 时,会产生反射和折射现象,而且在反射和折射的时候,它们遵生理因素的情况下,物体的颜色与光源颜色、 物体表面物理特性、表面粗糙度、周边环境等因素有关。
武汉纺织大学
数计学院 姓名:李文 学号:1415063007 班级:研1406 专业:计算机
2020/9/23
1
整体光照模型与光线跟踪
1.光照影响因素 2.一般性效果图形生成 3.整体光照明模型及真实感显示 4.光线跟踪算法的基本思想
2020/9/23
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物体的反射、投射、折射
2020/9/23
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其中:Ia 为环境光的光强 Ka为物体对环境光的反射系数
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2.4 Phong光照明模型
综上分析,Phong光照明模型表述为: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 I e、理想漫 反射光强 I d、和镜面反射光 I s 的总和,即:
I=Ie+Id+Is
I Il kd (N L)
如果有多个光源,则光强度 计算式为:
n
I
I li (N Li )
i 1
2020/9/23
图 漫反射
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2.2镜面反射光
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。镜面反射 光强可表示为:
1.0光照效果影响因素
思考:我们所见物体的颜色是怎样形成的?
影响观察物体颜色的主要因素有哪些?
当光照射到物体表面时,物体对光会发生反射、透射 、吸收、衍射、折射和干涉。
颜色是人对光的生理反映,反射、透射的光进入人的 视觉系统,使我们能看见物体的颜色。
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明模 型。
图 镜面反射光
Ks是与物体有关的镜面反射系数,α为视线方向V与反射方向R 的夹角,n为反射指数,反映了物体表面的光泽程度,一般为1~ 2000,数目越大物体表面越光滑。
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镜面反射光将会在反射方向附近形成很亮的光斑,称为高光 现象。
镜面反射光产生的高光区域只反映光源的颜色 将V和R都格式化为单位向量, 镜面反射光强可表示为:
2020/9/23
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1.1研究光照模型的目的
确定物体表面的每一个多边形或者多边形中的每一个点的 颜色。
2020/9/23
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2. 0 一般性效果图形生成
简单光照明模型--Phong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)和漫反射(Diffusion Reflection)。
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3.0 整体光照明模型及真实感显示
简单光照明模型(或局部光照明模型),虽然可以产生物体 的真实感图象,但它们都只是处理光源直接照射物体表面的光强 计算,不能很好的模拟光的折射、反射和阴影等,也不能用来表 示物体间的相互光照明影响。
而基于简单光照明模型的光透射模型,虽然可以模拟光的折 射,但是这种折射的计算范围很小,不能很好的模拟多个透明体 之间的复杂光照明现象。
这里H为L和V的平分向量 ,即: H =(L+V)/ | L+V |
注意:Phong模型对物体表面的每一点的光强进行计算,显 然其计算量较大。
2020/9/23
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2.5 Phong模型计算实例
图中可以看出高光反射指数(n)、漫反射系数(Kd)及镜面系数 (Ks)对显示效果的影响
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由此可得:
按R(red)、G(green)、B(blue)三种颜色分 量展开计算得:
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用Phong模型进行计算时,对物体表面上每个点P,均 需计算光线的反射方向R,再由V计算(R·V),为减少计 算,可作如下假设:
a) 光源在无穷远处,即光线方向L为常数; b) 视点在无穷远处,即视线方向V为常数; c) 为避免计算反射方向R,用(H·N)代替(R·V),
入射光强为Il
• 物体表面上点P 的法向为N
• 从点P指向光源的向量为L
• 两者间的夹角为θ
图 漫反射
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如果 表I l 示点光源的强度,kd
表示物体表面漫反射系数,则漫 反射方程可描述为:
I Il kd cos
( 0≤ ≤ π 2 )
若N为物体表面的单位法向量,L为物体表面 上一点指向光源的单位矢量,则: