真实感图形绘制优秀课件
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• 光照明模型的定义 • 在已知物体物理形态和光源性质的条件下，能
够计算出场景的光照明效果的数学模型称为光 照明模型。
简单光照明模型
• 基本光学原理是什么？ • 环境光 • 漫反射光 • 镜面反射光
简单光照明模型
• 基本光学原理 • 光照到物体表面时，物体对光会发生反射
(Reflection)、透射(Transmission)、吸收 (Absorption)、衍射(Diffraction)、折射 (Refraction)、和干涉(Interference)。 • 点光源是最简单的光源，它的光线由光源向四 周发散。这种光源模型是对场景中比物体小很 多的光源合适的逼近。离场景足够远的光源， 如太阳，通常用点光源模型来模拟。
简单光照明模型
• 简单光照明模型模拟物体表面对直接光照的反 射作用，包括镜面反射和漫反射，而物体间的 光反射作用没有充分考虑，仅仅用一个与周围 物体、视点、光源位置都无关的环境光 (Ambient Light)常量来近似表示。可以用如下 等式表示： 入射光=环境光+漫反射光+镜面反射光
简单光照明模型
• 环境光
• 环境光是指光源间接 对物体的影响，在物
Ie Ia Ka (8-1)
体和环境之间多次反
射，最终达到平衡时 其中：Ia为环境光的
一种光。
光强，Ka为物体对环
境光的反射系数，与
• 在简单光照明模型中， 环境的明暗度有关。
我们用一个常数来模
拟环境光，用式子表
示为：
简单光照明模型
• 漫反射光
• 记入射光强为Ip，物体 光源
• 光源处于无穷远处，几乎所有的入射光线都是 平行的 。
• 观察点距离物体表面足够远，视线矢量与反射 光矢量的夹角为一恒定值，也即cosβ为一个恒 定值。
• 多边形是景物表面的精确的表示，而不是一个 含有曲线面景物的近似表示。
多边形着色
• 恒定光强的多边形绘制只用一种光强值绘制整 个多边形。
• 除此之外，在不同法向的多边形邻接处，不仅 有光强突变，而且还会产生马赫带效应。
多边形着色
• 多边形绘制常用的方法有两种 • 将每个多边形用恒定光强来绘制。 • 沿扫描线计算每一像素的光强进行绘制。 • 恒定光强的多边形绘制 • 恒定光强的多边形绘制，又称恒定光强的明暗
处理或Flat着色。 • 这种方法主要适用于平面体真实感图形的处理。
多边形着色
• 得到一个比较真实的场景，如果三维场景的光 照条件满足以下要求：
• 其中R，V，N为单位矢量；Ip为点光源发出的入射光
强；Ia为环境光的漫反射光强；Ka环境光的漫反射系 数；Kd漫反射系数（0Kd 1）取决于表面的材料； Ks镜面反射系数（ 0Ks 1 ）；n幂次，用以模拟反 射光的空间分布，表面越光滑，n越大。
简单光照明模型
• 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，生成图像的真实度 已经达到可以接受的程度。
光源
N H
L
θ
β
R
视点
V
α
图8-3 半角矢量H与矢量L 和V的角平分线方向相同
简单光照明模型
• Phong光照明模型
• 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，即
I Ia k a Ip K d(L N ) Ip K s(R V )n (8-10)
I Ie Id
• 镜面反射光
(8-5)
在正常情况下，光沿着直线传播，当遇到不同 的介质表面时，会产生反射和折射现象，光在
反射和折射时，遵循反射定律和折射定律。
• 反射定律
• 入射光线、反射光线与光照点的法向量在同一 平面上，而且光线的入射角等于反射角。
简单光照明模型
• 折射定律
• 入射光线、折射光线与光照点的法向量在同一平面上， 如图8-2，折射角与入射角满足：
N
表面上点P 的法向为N ，
θ
L
从点P指向光源的向量
为L，两者间的夹角为
θ，如图8-1所示。由
P
Lambert余弦定律，则 漫反射光强为：
IdIpK dco )s, ( (0, 2)
图8-1 P点处的单位法向 量N和P到点光源的单位向 量L之间的夹角θ
(8-2)
简单光照明模型
• 将环境光和朗伯漫反射的光强合并．得到如下 一个比较完整的漫反射表达式：
• 在实际的应用中，还具有以下的一些问题：物 体象塑料，没有质感。
• 环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射 光；镜面反射的颜色是光源的颜色，与物体的 材料无关；
• 镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真等。
多边形着色
• 恒定光强的多边形绘制 • Gouraud明暗处理 • 双线性法向插值（Phong明暗处理）
1 2
s in s in
(8-6)
光源 L
介质1 介质2
法向量N
反射光线R
视点
θθ α
视线V
P
φ
图8-2 光的反射和折射
简单光照明模型
• Phong提出了一个计算镜面反射光亮度的经验
模型，其计算公式为：
IsIpK sco n(s ), (0 , 2)
(8-7)
• 将V和R都格式化为单位向量，则镜面反射光
真实感图形绘制
第8章 真实感图形绘制
• 简单光照明模型 • 多边形着色 • 透明与阴影 • 纹理与纹理映射 • 整体光照模型和光线跟踪 • 实时真实感图形学技术
真实感图形绘制
• 真实感图形是综合利用数学、物理学、计算机 科学以及其它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 。
简单光照明模型
• 当光线照射到不透明物体表面时，部分被反射， 部分被吸收。
• 粗糙的物体表面往往将反射光向各个方向散射， 这种光线散射的现象称为漫反射(Diffuse Reflection)。
• 非常粗糙的材质表面产生的主要是漫反射，因 此从各个视角观察到的光亮度的变化非常小。
• 表面非常光滑的物体表面会产生强光反射，称 为镜面反射(Specular Reflection)。
强可表示为：
Is IpKs(RV)n
(8-8)
• 其中，R可由 R ( 2 c) o N L s 2 N (N L ) L 计算。
Βιβλιοθήκη Baidu
简单光照明模型
• 如图8-3，可以推出：R L (2 co )N s2 (N L )N ,
所以：R ( 2 c) o N L s 2 N (N L ) L。
够计算出场景的光照明效果的数学模型称为光 照明模型。
简单光照明模型
• 基本光学原理是什么？ • 环境光 • 漫反射光 • 镜面反射光
简单光照明模型
• 基本光学原理 • 光照到物体表面时，物体对光会发生反射
(Reflection)、透射(Transmission)、吸收 (Absorption)、衍射(Diffraction)、折射 (Refraction)、和干涉(Interference)。 • 点光源是最简单的光源，它的光线由光源向四 周发散。这种光源模型是对场景中比物体小很 多的光源合适的逼近。离场景足够远的光源， 如太阳，通常用点光源模型来模拟。
简单光照明模型
• 简单光照明模型模拟物体表面对直接光照的反 射作用，包括镜面反射和漫反射，而物体间的 光反射作用没有充分考虑，仅仅用一个与周围 物体、视点、光源位置都无关的环境光 (Ambient Light)常量来近似表示。可以用如下 等式表示： 入射光=环境光+漫反射光+镜面反射光
简单光照明模型
• 环境光
• 环境光是指光源间接 对物体的影响，在物
Ie Ia Ka (8-1)
体和环境之间多次反
射，最终达到平衡时 其中：Ia为环境光的
一种光。
光强，Ka为物体对环
境光的反射系数，与
• 在简单光照明模型中， 环境的明暗度有关。
我们用一个常数来模
拟环境光，用式子表
示为：
简单光照明模型
• 漫反射光
• 记入射光强为Ip，物体 光源
• 光源处于无穷远处，几乎所有的入射光线都是 平行的 。
• 观察点距离物体表面足够远，视线矢量与反射 光矢量的夹角为一恒定值，也即cosβ为一个恒 定值。
• 多边形是景物表面的精确的表示，而不是一个 含有曲线面景物的近似表示。
多边形着色
• 恒定光强的多边形绘制只用一种光强值绘制整 个多边形。
• 除此之外，在不同法向的多边形邻接处，不仅 有光强突变，而且还会产生马赫带效应。
多边形着色
• 多边形绘制常用的方法有两种 • 将每个多边形用恒定光强来绘制。 • 沿扫描线计算每一像素的光强进行绘制。 • 恒定光强的多边形绘制 • 恒定光强的多边形绘制，又称恒定光强的明暗
处理或Flat着色。 • 这种方法主要适用于平面体真实感图形的处理。
多边形着色
• 得到一个比较真实的场景，如果三维场景的光 照条件满足以下要求：
• 其中R，V，N为单位矢量；Ip为点光源发出的入射光
强；Ia为环境光的漫反射光强；Ka环境光的漫反射系 数；Kd漫反射系数（0Kd 1）取决于表面的材料； Ks镜面反射系数（ 0Ks 1 ）；n幂次，用以模拟反 射光的空间分布，表面越光滑，n越大。
简单光照明模型
• 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，生成图像的真实度 已经达到可以接受的程度。
光源
N H
L
θ
β
R
视点
V
α
图8-3 半角矢量H与矢量L 和V的角平分线方向相同
简单光照明模型
• Phong光照明模型
• 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，即
I Ia k a Ip K d(L N ) Ip K s(R V )n (8-10)
I Ie Id
• 镜面反射光
(8-5)
在正常情况下，光沿着直线传播，当遇到不同 的介质表面时，会产生反射和折射现象，光在
反射和折射时，遵循反射定律和折射定律。
• 反射定律
• 入射光线、反射光线与光照点的法向量在同一 平面上，而且光线的入射角等于反射角。
简单光照明模型
• 折射定律
• 入射光线、折射光线与光照点的法向量在同一平面上， 如图8-2，折射角与入射角满足：
N
表面上点P 的法向为N ，
θ
L
从点P指向光源的向量
为L，两者间的夹角为
θ，如图8-1所示。由
P
Lambert余弦定律，则 漫反射光强为：
IdIpK dco )s, ( (0, 2)
图8-1 P点处的单位法向 量N和P到点光源的单位向 量L之间的夹角θ
(8-2)
简单光照明模型
• 将环境光和朗伯漫反射的光强合并．得到如下 一个比较完整的漫反射表达式：
• 在实际的应用中，还具有以下的一些问题：物 体象塑料，没有质感。
• 环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射 光；镜面反射的颜色是光源的颜色，与物体的 材料无关；
• 镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真等。
多边形着色
• 恒定光强的多边形绘制 • Gouraud明暗处理 • 双线性法向插值（Phong明暗处理）
1 2
s in s in
(8-6)
光源 L
介质1 介质2
法向量N
反射光线R
视点
θθ α
视线V
P
φ
图8-2 光的反射和折射
简单光照明模型
• Phong提出了一个计算镜面反射光亮度的经验
模型，其计算公式为：
IsIpK sco n(s ), (0 , 2)
(8-7)
• 将V和R都格式化为单位向量，则镜面反射光
真实感图形绘制
第8章 真实感图形绘制
• 简单光照明模型 • 多边形着色 • 透明与阴影 • 纹理与纹理映射 • 整体光照模型和光线跟踪 • 实时真实感图形学技术
真实感图形绘制
• 真实感图形是综合利用数学、物理学、计算机 科学以及其它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 。
简单光照明模型
• 当光线照射到不透明物体表面时，部分被反射， 部分被吸收。
• 粗糙的物体表面往往将反射光向各个方向散射， 这种光线散射的现象称为漫反射(Diffuse Reflection)。
• 非常粗糙的材质表面产生的主要是漫反射，因 此从各个视角观察到的光亮度的变化非常小。
• 表面非常光滑的物体表面会产生强光反射，称 为镜面反射(Specular Reflection)。
强可表示为：
Is IpKs(RV)n
(8-8)
• 其中，R可由 R ( 2 c) o N L s 2 N (N L ) L 计算。
Βιβλιοθήκη Baidu
简单光照明模型
• 如图8-3，可以推出：R L (2 co )N s2 (N L )N ,
所以：R ( 2 c) o N L s 2 N (N L ) L。