计算机图形学光照与纹理文稿演示
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计算机图形学光照与纹理文稿演示
优选计算机图形学光照与纹理
颜色
心理-物理 色调(Hue)-主波长(Dominant Wavelength)
是一种颜色区别于其它颜色的因素，也就是我们平常所 说的红、绿、蓝、紫等
饱和度(Saturation)-纯度(Purity)
颜色纯度
纯度越高：单一波长且更亮（激光）
只考虑光线直接照射物体表面的情况
整体光照明
考虑光物体之间传播情况
简单的光照明
近似 假设
物体不透明，即没有透射光
光种类
环境光、漫反射光和镜面反射光
光源
点光源
Phong模型
Bùi Tường Phong（裴祥风，1942-1975）
生于越南河内 犹他大学博士学位 提出Phong反射与着色模型
基础概念
球面坐标系
立体角（Solid Angle）
投影面积 v
Anv
光通量
单位时间内通过面元的光能量（单位W）
辉度（Irradiance ）
通过单位面积的光通量（单位W/m2）
发光强度(Intensity)
点光源在某个方向上的发光强度
光亮度（Radiance，又名辐射率）
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
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
青 (Cyan)、品红 (magenta)、黄三原色（CMY）
N
cos
L
简单光照模型
环境光与漫反射光结合
方程： I Ie Id Ia K a Ip K d (L N )
例子：
简单光照模型
高光（ Specular ）：光滑物体表面在点光源的照射下形成一 块特别亮的区域
镜面反射（Specular Reflection）
物体表面对入射光的反射 遵循反射定律
简单光照模型
环境光（Ambient light）
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
光强（度）：空间上分布均匀，即任何位置和方向光强度 一样，亮度值记为Ia
反射系数：与物体表面性质有关，决定物体表面呈现的亮 度，记为Ka
光照模型方程
Ie = Ka Ia
Ie为物体表面呈现的亮度
通过单位面积在单位立体角方向上的光通量（单位： W/(sr*m2)）
与辉度关系
Ω为覆盖发光方向的半球
反射：
漫反射 镜面发射
真实的反射
真实的反射——BRDF
BRDF(bidirectional reflectance distribution function，二 向反射分布函数)
Id KdIpcos
Kd 是漫反射系数（0～1之间的常数），与物体表面性质有关 Ip 是入射光（光源）的光强； θ是入射光的入射角，即入射光与物体表面法向间的夹角
漫反射可由向量表示为
Id KdIp(NL)
注意若 N Lco s 0，漫反射 Id 0
当存在多个光源时 m Id Kd Ipi (NLi) i1
四维函数：描述面元从 方向接收光的辐射度，经反射 后，反射光在 方向的辐射率
绘制方程（反射项）
视点所见的光亮度
视点方向
光照明：难以模拟真实的BRDF反射
经验模型 物理模型（近似）
光照明
光作用
反射 透射（透明物体）
包括折射
被物体吸收转化为热能
只有反射光和透射光决定物体的颜色
局部光照明
Ka = 0.4
Ka = 0.8
简单光照模型
漫反射（Diffuse Reflection）
点光源：向周围所有方向发射等强度的光 漫反射光是由物体表面的粗糙不平引起的，它均匀地向
各个方向传播，与视点无关
N L
简单光照模型
漫反射光在空间均匀分布，反射光强 I 与入射光的入射 角θ 的余弦成正比，即：
cosn 近似地描述了镜面反射光的空
间分布。
简单光照模型
简化Phong模型
S Ncos L L,N,R都是单位向量
S
S
R Ncos S 2Ncos L
cos L• N
R 2N(L• N)L
H (L V )/ L V
H β
（ 2 ) /2
/2
H •N V •R
I s I p K s cn o I p s K s ( V • R ) n I p K s ( H • N ) n
（1）反射光与入射光位于表面法向两侧 （2）理想反射面而言：入射角＝反射角
观察者在反射方向上看到反射光最强
11.1 简单光照模型
非理想反射面
计算公式： Is Ip K scn o sIp K s(V R )n
Ks是物体表面镜面反射系数，它与入 射角和波长有关； α 是视线与反射方向的夹角； n 为镜面高光系数，用来模拟镜面反 射光在空间中的汇聚程度，它是一个 反映物体表面光泽度的常数；
11.1 简单光照模型
镜面参数 n的影响效果
n = 15
n=5 n 常规取值 5-20
n=1
简单光照模型
改反射光
IIeIdIs K aIaIp[K d(L•N)K s(H•N)n]
当光源与视点无穷远时，对表面上任意一点而言，L和V
固定不变，H只需计算一次
印刷
颜色
颜色空间
C= rR+ gG+ bB (r,g,b)值可能会存在负数
颜色空间
CIE XYZ颜色空间
三种假想标准原色X、Y 、Z保证 C= (R)X + (G) Y + (B) Z中
(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)
11.1 简单光照模型
物体表面到人眼过程中的衰减
深度暗示技术（Depth Cueing）
使据视点远的点比近的点暗一些
H β
简单光照模型
光的衰减
光在传播过程中，能量会衰减
传播过程
光源到物体表面的传播，使入射光强度变弱 物体表面到人眼的传播，使人接受到物体表面的反射光强度减弱
光到物体表面的衰减
f
(d)
1 d2
f
(d)
min
c0
1 c1d
c2d
2
,1
考虑衰减的方程 IIeIdIs K aIaf(d)Ip[K d(L•N )K s(H •N )n]
优选计算机图形学光照与纹理
颜色
心理-物理 色调(Hue)-主波长(Dominant Wavelength)
是一种颜色区别于其它颜色的因素，也就是我们平常所 说的红、绿、蓝、紫等
饱和度(Saturation)-纯度(Purity)
颜色纯度
纯度越高：单一波长且更亮（激光）
只考虑光线直接照射物体表面的情况
整体光照明
考虑光物体之间传播情况
简单的光照明
近似 假设
物体不透明，即没有透射光
光种类
环境光、漫反射光和镜面反射光
光源
点光源
Phong模型
Bùi Tường Phong（裴祥风，1942-1975）
生于越南河内 犹他大学博士学位 提出Phong反射与着色模型
基础概念
球面坐标系
立体角（Solid Angle）
投影面积 v
Anv
光通量
单位时间内通过面元的光能量（单位W）
辉度（Irradiance ）
通过单位面积的光通量（单位W/m2）
发光强度(Intensity)
点光源在某个方向上的发光强度
光亮度（Radiance，又名辐射率）
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
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
青 (Cyan)、品红 (magenta)、黄三原色（CMY）
N
cos
L
简单光照模型
环境光与漫反射光结合
方程： I Ie Id Ia K a Ip K d (L N )
例子：
简单光照模型
高光（ Specular ）：光滑物体表面在点光源的照射下形成一 块特别亮的区域
镜面反射（Specular Reflection）
物体表面对入射光的反射 遵循反射定律
简单光照模型
环境光（Ambient light）
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
光强（度）：空间上分布均匀，即任何位置和方向光强度 一样，亮度值记为Ia
反射系数：与物体表面性质有关，决定物体表面呈现的亮 度，记为Ka
光照模型方程
Ie = Ka Ia
Ie为物体表面呈现的亮度
通过单位面积在单位立体角方向上的光通量（单位： W/(sr*m2)）
与辉度关系
Ω为覆盖发光方向的半球
反射：
漫反射 镜面发射
真实的反射
真实的反射——BRDF
BRDF(bidirectional reflectance distribution function，二 向反射分布函数)
Id KdIpcos
Kd 是漫反射系数（0～1之间的常数），与物体表面性质有关 Ip 是入射光（光源）的光强； θ是入射光的入射角，即入射光与物体表面法向间的夹角
漫反射可由向量表示为
Id KdIp(NL)
注意若 N Lco s 0，漫反射 Id 0
当存在多个光源时 m Id Kd Ipi (NLi) i1
四维函数：描述面元从 方向接收光的辐射度，经反射 后，反射光在 方向的辐射率
绘制方程（反射项）
视点所见的光亮度
视点方向
光照明：难以模拟真实的BRDF反射
经验模型 物理模型（近似）
光照明
光作用
反射 透射（透明物体）
包括折射
被物体吸收转化为热能
只有反射光和透射光决定物体的颜色
局部光照明
Ka = 0.4
Ka = 0.8
简单光照模型
漫反射（Diffuse Reflection）
点光源：向周围所有方向发射等强度的光 漫反射光是由物体表面的粗糙不平引起的，它均匀地向
各个方向传播，与视点无关
N L
简单光照模型
漫反射光在空间均匀分布，反射光强 I 与入射光的入射 角θ 的余弦成正比，即：
cosn 近似地描述了镜面反射光的空
间分布。
简单光照模型
简化Phong模型
S Ncos L L,N,R都是单位向量
S
S
R Ncos S 2Ncos L
cos L• N
R 2N(L• N)L
H (L V )/ L V
H β
（ 2 ) /2
/2
H •N V •R
I s I p K s cn o I p s K s ( V • R ) n I p K s ( H • N ) n
（1）反射光与入射光位于表面法向两侧 （2）理想反射面而言：入射角＝反射角
观察者在反射方向上看到反射光最强
11.1 简单光照模型
非理想反射面
计算公式： Is Ip K scn o sIp K s(V R )n
Ks是物体表面镜面反射系数，它与入 射角和波长有关； α 是视线与反射方向的夹角； n 为镜面高光系数，用来模拟镜面反 射光在空间中的汇聚程度，它是一个 反映物体表面光泽度的常数；
11.1 简单光照模型
镜面参数 n的影响效果
n = 15
n=5 n 常规取值 5-20
n=1
简单光照模型
改反射光
IIeIdIs K aIaIp[K d(L•N)K s(H•N)n]
当光源与视点无穷远时，对表面上任意一点而言，L和V
固定不变，H只需计算一次
印刷
颜色
颜色空间
C= rR+ gG+ bB (r,g,b)值可能会存在负数
颜色空间
CIE XYZ颜色空间
三种假想标准原色X、Y 、Z保证 C= (R)X + (G) Y + (B) Z中
(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)
11.1 简单光照模型
物体表面到人眼过程中的衰减
深度暗示技术（Depth Cueing）
使据视点远的点比近的点暗一些
H β
简单光照模型
光的衰减
光在传播过程中，能量会衰减
传播过程
光源到物体表面的传播，使入射光强度变弱 物体表面到人眼的传播，使人接受到物体表面的反射光强度减弱
光到物体表面的衰减
f
(d)
1 d2
f
(d)
min
c0
1 c1d
c2d
2
,1
考虑衰减的方程 IIeIdIs K aIaf(d)Ip[K d(L•N )K s(H •N )n]