第6章真实感图形生成技术(计算机图形学)

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计算机图形学
6.4.3 投射阴影生成方法 1、影域多面体方法 2、Z缓冲器方法 3、光线跟踪法
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6.4.3 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。
这个算法与扫描线算法相结合就容易实现。
我们上面介绍方法是以光强度进行插值,但对于镜面反 射光亮度往往不理想,而Phong法是以法向进行插值,其原 理和上面一样,所不同的是在上面插值公式中用N代替I即 可,N是一个矢量,I是标量,所以法向插值计算量大一些, 但产生效果好,比较真实,能显示出镜面特亮区域。
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6.4 阴影生成方法
6.4.1 概述 1、定义:阴影是指景物中没有被光源直接照射的暗区。 在场景中阴影显示出来,可 增强图形立体感,使得计算机生 成画面更具有真实感。 第六章 真实感图形生成技术 6.4 阴影生成方法 2、阴影分类 6.4.1 概述 (1)自身阴影 6.4.2 自身阴影生成方法 (2)投射阴影 6.4.3 投射阴影生成方法
是由许多朝向不同微小表面组成,其镜面反射光散布在反 射方向周围 。
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B.T.Phong1975年提出来用余弦函数的幂次来模拟镜面 反射光的空间分布,可表示为: Is=IpKs cosnφ Is ——观察者接收到镜面反射光亮度; Ip ——入射光的亮度; φ ——镜面反射方向和视线方向的夹角; n ——镜面反射光的会聚系数 (与物体表面光滑度有关)一般取1~2000; Ks——镜面反射系统(与材料性质和入射光波长有关) 。 表面越光滑,其镜面反射光会聚程度较高,n值较大。
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6.3 明暗处理方法
6.3.1 概述 明暗处理就是使物体表面光强度强弱表现。 上一节介绍了简单照明模型,只要知道物体表面某一点 的法线就可以算出该点反射光强度。 对于表面是弯曲的形体,计算出曲面每一点法线,然 后再按照模型来计算每一点明暗程度,计算工作量太大。 因此,用平面多面体来逼近弯曲表面形体。对于平 面多边形来说,由于它的每个表面都是平面,而在同一 平面上,任一点法线都是一样,因此,只要用一个固定 的强度值来表示面上所有点(即整个面)的明暗程度就 可以了,这样使得计算工作大为简化。
2、计算各个顶点的光亮度I1,I2,…Im
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6.3.2 哥罗德(Gouraud)强度插值法 3、用插值方法计算出多边形上任一点的 光强度,如图:
yP y 2 y1 yP I2 y1 y 2 y1 y 2
yQ y 2 y 3 yQ I2 y3 y 2 y3 y 2
I I K I pi ( K d cos i K s cos n i )
i 1 m
这就是简单光照模型。
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令L为入射光方向单位矢量,N为表面 法线单位矢量,R为反射光方向单位矢 量,V为视线方向单位矢量,如图,则 余弦函数可用矢量点积来表示,即 (L· N) =cosθ (R· V)=cos φ 即 I=Ia Ka+Ip [Kd (L· N)+K s (R· V) n] 对于彩色显示,可把光源分成红、绿、蓝(R· G· B) 三基色光,对每一基色分别用相应算式来计算, 即 Ir =Ia Kar +Ip [Kdr (L· N)+Ks (R· V) n] Ig =Ia Kag+Ip [Kdg(L· N)+Ks (R· V) n] Ib =Ia Kab+Ip [Kdb (L· N)+Ks (R· V) n] 上式中镜面反射光一项对三个式子都是一样。
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Computer Graphics
教材:《计算机图形学》王汝传等
编著 人民邮电出版社
第六章 真实感图形生成技术
6.1 概述 一、真实感图形定义 真实感图形的显示是使用计 算机产生同照片同样的黑白图像 或彩色图像。 计算机图形学研究目的最终 是用计算机生成图形,具有真实 感使物体和自然界中物体 相似, 包括颜色、纹理、明暗等。
IP I 1
IQ I 3
4、用扫描线方法沿水平方向插 值来计算出多边形内部各点的光亮度值,例如点R的光亮 度可以用下式计算: xQ xR xR xP IR IP IQ xQ xP xQ xP
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利用哥罗德法思路简明,计算方便,但对于镜面反射 处理不理想,我们可用下面方法处理。 6.3.3 冯(Phong)法向插值法
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6.3 明暗处理方法
6.3.1 概述 为了不使光强度急剧变化,我们用下面两种方法

1、哥罗德(Gouraud)强度插值法 2、冯(Phong)法向插值法
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6.3.2 哥罗德(Gouraud)强度插值法
1、计算多边形每个顶点法向量 求出与该顶点相邻的多面体各面的法向平均值,作为 该顶点法向。如图P点法向量为: Np=(N1+N2+N3)/3 其中N1、N2、N3分别是以 P为公共顶点 的三个面的外法向;Np是 P点外法向。
能处理任意复杂的景物,可以较方便地在光滑曲面上 生成阴影,且计算量小,程序简单;
缺点:阴影缓冲器的存储耗费较大。
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6.4.3 投射阴影生成方法
3、光线跟踪法 要判断某点是否在阴影内,从该点的光源发一条射线, 若与物体不相交,则说明不在阴影内,若与物体相交, 说明在阴影内。
这种方法比较易于实现,且可以生成十分真实的阴影 ,但计算工作量较大。 计算机图形学
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投射阴影又分为:本影和半影 1、本影 物体影子中间全黑的轮廓分明部分是本影。本影是没有 被光源照射部分。 2、半影 本影周围半明半暗部分是半影,半影是一部分被光源照 射,一部分未被光源照射。本影计算复杂,一般只考虑半 影计算。
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6.4.2 自身阴影生成方法 生成过程如下: (l)首先将视点臵于光源位臵,以光线照射方向作为观察 方向,对在光照模型下的物体实施消隐算法,判别出在光 照模型下的物体的“隐藏面”并在数据文件中加以标识; (2)然后按实际的视点位臵和观察方向,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。
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6.4.3 投射阴影生成方法
2、Z缓冲器方法 由于阴影是光线照射不到面观察者却可见到的区域, 换句话说,阴影是相对于光源不可见而观察点却可见到 的区域。所以在画面中生成阴影的过程基本上相当于 二次消隐,一次是对光源消隐,另一次是对视点消隐, Z缓冲器算法就是基于这个原理。 该法的优点:
1、反映物体表面颜色和亮度 2、表现物体质感 3、能通过光照下物体的阴影, 改善场景的深度感和层次感
4、能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜像 效果 计算机图形学
四、影响真实感图形因素 1、物体本身形状 2、物体表面特征:材质、感光度,纹理等
3、照射物体光源
4、物体与光源相对位臵
5、物体周围环境
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6.5.3 光线跟踪算法 如何求象素点P亮度,由三部分组成:
1、光源直接照射及环境光所产生局部光亮度。
2、反射方向②来的光对 A的作用。 3、透射方向③来的光对A点的作用。
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A点光强度为: IA=I1A+IsAKsA+ItAKtA 为了求IsA和ItA ,必须求IB和IC: IB= I1B+IsBKsB+ItBKtB IC= I1C+IsCKsC+ItCKtC IsC 可由连续跟踪内反射光线6求得,ItC=背景光。 最后,用 IsA= IB;ItC=IC代入求 A点光强度公式 ,即可求得A点光强度。
与漫反射不同,镜面反射光与物体颜色无关。
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6.2.4 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) 当光源不只一个,而是有m个光源,则上式可写为:
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6.2 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。
第六章 真实感图形生成技术 6.2 简单光照模型 6.2.1 环境反射光 6.2.2 漫反射光 6.2.3 镜面反射光 6.2.3 Phong光照模型
光照在物体表面上有三种情况: 1、反射光:光通过物体表面被反射; 2、透视光:对于透明物体光穿过该物体而从另端射出 3、光被物体吸收而变成热。 我们视觉效果是反射光和透视光。
6.5 整体光照模型和光线跟踪算法
前面介绍了简单光照模型,所考虑条件是对于不透明 物体,若是透明物体,简单光照模型公式就不适合了。 我们先考虑透明性物体简单模型。 6.5.1 透明性简单模型 条件:1、透明体不应折射 2、无漫透视,光通过透明体时不产生模糊变形
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6.5
整体光照模型
6.5.1 透明性简单模型
第六章 真实感图形生成技术 6.1 概述 6.2 简单光照模型 6.3 明暗处理方法 6.4 阴影生成方法 6.5 整体光照模型 6.6 纹理处理方法 6.7 图形颜色和颜色模型
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二、真实感图形应用 1、产品外形设计 2、飞行驾驶模拟训练 3、动画制作、城市规划、医学气象等
三、真实感图形特点
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6.2.3 镜面反射光 上面讨论漫反射是一个粗糙无光泽表面,如粉笔。如
果一个点光源照射到一个抛光的金属球时,在球上形成一 块特别亮的区域,呈现所谓“高光”。它是光源在金属球面 上产生的镜面反射光。 对于一个理想的镜面,入射到表面上的光严格地遵守光 的反射定律朝一个方向——镜面反射方向反射出去;对于 一般光滑表面,由于表面具有一定粗糙度,其表面实际上
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6.5.2 整体光照模型 景物表面某点P向观察点辐射的光亮度由三部分组成, 依下式求出。 I=I1十Is Ks +It Kt 式中, I1——光源直接照射引起的反射光亮度, 按照 Phong模型来计算 Is——在镜面反射方向上其它物体向点P轴射的光亮度; It——在折射方向上其它物体向点P辐射的光亮度; Ks——景物表面的反射系数; Kt——景物的透射系数。 Is、It的确定要求助于光线跟踪算法。
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6.2.2 漫反射光 漫反射光是由特定光源在物 体表面反射光中那些向空间各方 向均匀反射出去的光。设物体表 面在P点法线为N,从P点指向光 源的向量为L,两者夹角为θ。 于是,点P处漫反射光的强度为: Id =Ip kd cosθ 式中 Id ——表面漫反射光的亮度; Ip ——入射光的光亮度; kd——漫射系数 0≤Kd ≤l; θ——入射光线与法线间夹角,0≤θ≤π/2。 当物体表面垂直于入射光方向时(N、L方向一致)看上 去最亮。百度文库θ越来越大,接近900时,则看上去越来越暗。
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跟踪光线结束条件
跟踪光线未碰到任何物体;
跟踪光线碰到了场景背景;
跟踪光线在经过许多次反射和折射以后,光线对于 视点的光强贡献小于某个设定值; 跟踪光线反射或折射次数(即跟踪深度)大于某个设 定值;
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下面讨论不包含透射光的简单光照模型。
假设物体不透明,那么物体表面呈现的颜色仅由其反射光 决定,通常人们把反射光考虑成三个分量的组合,这三个
分量分别是:
环境反射 漫反射 镜面反射
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6.2.1 环境反射光 环境反射光是由于邻近物体所造成的光多次反射所产生 的,其光亮度可表示为: Ie=IaKa 式中 Ie----物体对环境光反射亮度; Ia----环境光亮度; Ka----物体表面对环境光反射系数(0≤Ka≤l)。
如图,A是透明体,Pt是视线穿过透明体 与背后物体B的交点。此时由P点光到达 观察者光强度为: I=(l-t)Ic十tIt 0≤t≤1 Ic为 P点光亮度,t为透明系数,t=0时对 应不透明面.t=1为透明面,Ic和It可用 前面介绍的Phong模型计算。 这种方法无法模拟光通过透明介质时产生折射现象, 须用下面介绍的整体光照明模型。
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