整体光照模型与光线跟踪.ppt
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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。
2015-3-13
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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)。 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。
其中：Ia 为环境光的光强 Ka为物体对环境光的反射系数
2015-3-13
12
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
由此可得：
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。
2015-3-13 18
最基本的光线跟踪算法是跟踪镜面反射和折射。
从光源发出的光遇到物体的表面，发生反射和折射，光就改变方向，
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
2015-3-13
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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
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物体的反射、投射、折射
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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。
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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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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。 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。
沿着反射方向和折射方向继续前进，直到遇到新的物体。
但是光源发出光线，经反射与折 射，只有很少部分可以进入人的 眼睛。因此实际光线跟踪算法的 跟踪方向与光传播的方向是相反 的，而是视线跟踪。 由视点与象素(x，y)发出一
根射线，与第一个物体相交后，
在其反射与折射方向上进行跟踪， 如图所示。
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如果 I 表示点光源的强度， l kd 表示物体表面漫反射系数，则 漫反射方程可描述为：
I I l kd cos
( 0≤
≤
π 2)
图
漫反射
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：
I I l kd (N L)
如果有多个光源，则光强度 计算式为：
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。 在真实感图形学对光线跟踪算法的研究中，Whitted
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。 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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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： 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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虽然光线在景物间的反射和折射可以
无限地进行下去，但在实际计算时不可能 做无休止的光线跟踪，因而需要给出光线
跟踪的终判条件。如设定跟踪层数，光亮
度小于给定值等条件。
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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：
式中：
对多个光源：
图
镜面反射光
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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：
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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 循反射定律和折射定律。
在不考虑人的生理因素的情况下，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。
2015-3-1ຫໍສະໝຸດ Baidu 5
1.1研究光照模型的目的
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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。
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。
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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。 在简单光照明模型中， 反射被分为理想漫反射和镜 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。
n
I
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I
i 1
li
(N Li )
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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：
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）， 这里H为L和V的平分向量 ，即： H ＝（L＋V）/ | L＋V |
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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)。 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。
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
由此可得：
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。
从光源发出的光遇到物体的表面，发生反射和折射，光就改变方向，
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
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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
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物体的反射、投射、折射
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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。
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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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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。 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。
沿着反射方向和折射方向继续前进，直到遇到新的物体。
但是光源发出光线，经反射与折 射，只有很少部分可以进入人的 眼睛。因此实际光线跟踪算法的 跟踪方向与光传播的方向是相反 的，而是视线跟踪。 由视点与象素(x，y)发出一
根射线，与第一个物体相交后，
在其反射与折射方向上进行跟踪， 如图所示。
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如果 I 表示点光源的强度， l kd 表示物体表面漫反射系数，则 漫反射方程可描述为：
I I l kd cos
( 0≤
≤
π 2)
图
漫反射
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：
I I l kd (N L)
如果有多个光源，则光强度 计算式为：
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。 在真实感图形学对光线跟踪算法的研究中，Whitted
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。 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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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： 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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虽然光线在景物间的反射和折射可以
无限地进行下去，但在实际计算时不可能 做无休止的光线跟踪，因而需要给出光线
跟踪的终判条件。如设定跟踪层数，光亮
度小于给定值等条件。
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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：
式中：
对多个光源：
图
镜面反射光
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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：
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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 循反射定律和折射定律。
在不考虑人的生理因素的情况下，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。
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1.1研究光照模型的目的
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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。
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。
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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。 在简单光照明模型中， 反射被分为理想漫反射和镜 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。
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I
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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：
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）， 这里H为L和V的平分向量 ，即： H ＝（L＋V）/ | L＋V |