第8章真实感显示.ppt

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第二节第二节真实感图形绘制真实感图形绘制简单光照明模型简单光照明模型多边形明暗处理方法多边形明暗处理方法透明透明整体光照明模型整体光照明模型已学过的显示图形的方法已学过的显示图形的方法未消隐图形：

未消隐图形：

显示线框图显示线框图显示填充图显示填充图消隐图形：

消隐图形：

可见多边形内部填充指定的颜色可见多边形内部填充指定的颜色特点：

特点：

颜色是人为加上的，颜色无过渡颜色是人为加上的，颜色无过渡亮度无过渡亮度无过渡不符合真实物理世界不符合真实物理世界真实感图形的特点真实感图形的特点真实感图形是光栅图形真实感图形是光栅图形反映物体表面颜色和亮度的细微变化反映物体表面颜色和亮度的细微变化质感：

金属、陶瓷、玻璃等质感：

金属、陶瓷、玻璃等阴影：

反映深度感和层次感阴影：

反映深度感和层次感透明：

透明体后的物体显示透明：

透明体后的物体显示镜像：

光滑物体上的反光成像镜像：

光滑物体上的反光成像纹理：

物体表面的图案、凹凸不平的形状纹理：

物体表面的图案、凹凸不平的形状影响真实感图形显示的因素影响真实感图形显示的因素物体的几何形状和数学表示物体的几何形状和数学表示n多面体：

平面表示的物体多面体：

平面表示的物体n曲面：

二次解析形式；自由曲面曲面：

二次解析形式；自由曲面n自然景物：

云、水、火等自然景物：

云、水、火等n物理模型：

符合物理规律的变形物体物理模型：

符合物理规律的变形物体物体表面特性物体表面特性n粗糙度：

光滑表面或粗糙表面粗糙度：

光滑表面或粗糙表面n感光度：

金属、纸张等感光度：

金属、纸张等n表面颜色：

红、绿等表面颜色：

红、绿等n纹理：

表面花纹纹理：

表面花纹n透光性：

玻璃、毛玻璃等透光性：

玻璃、毛玻璃等影响真实感图形显示的因素影响真实感图形显示的因素光源光源n波长：

颜色（可见光）波长：

颜色（可见光）n所有波长光含量相等，白色所有波长光含量相等，白色/灰度光；灰度光；n各波长分量不同，彩色光各波长分量不同，彩色光n光强：

光的亮度光强：

光的亮度n类型：

点、线、面、体光源等类型：

点、线、面、体光源等物体与光源的相对位置物体与光源的相对位置周围环境：

光反射、折射等周围环境：

光反射、折射等真实感图形显示真实感图形显示建立光照模型：

基于光学物理模型，计算每个象素点的实建立光照模型：

基于光学物理模型，计算每个象素点的实际颜色和亮度，并分解颜色的各分量值（际颜色和亮度，并分解颜色的各分量值（RGB）绘制场景几何光照模型绘制场景几何光照模型常用算法扫描线算法，光线跟踪算法常用算法扫描线算法，光线跟踪算法光的反射光的反射光照射到物体表面：

光照射到物体表面：

反射反射透射（对透明物体）透射（对透明物体）部分被吸收成热能部分被吸收成热能入射光反射光透射光散射光吸收光入射光反射光透射光散射光吸收光转变成热能转变成热能透明物体透过的光透明物体透过的光反射光决定了物体所反射光决定了物体所呈现的颜色呈现的颜色入射光入射光镜面反镜面反射光射光漫反射漫反射散射光散射光透射光透射光内部内部反射反射吸收吸收环境光计算环境光计算假定物体是不透明的（即无透射光）假定物体是不透明的（即无透射光）n环境光环境光：

光在物体和周围环境之间多次反射的结果。

光在物体和周围环境之间多次反射的结果。

在空间中近似均匀分布，即在任何位置、任何方向上在空间中近似均匀分布，即在任何位置、任何方向上强度一样强度一样,记为记为IIaan光照明方程（仅含环境光）光照明方程（仅含环境光）：

IIe=e=KKaaIIaaIIee为物体表面所呈现的亮度为物体表面所呈现的亮度n环境光反射系数环境光反射系数KKaa：

在分布均匀的环境光照射下，不在分布均匀的环境光照射下，不同物体表面所呈现的亮度未必相同，因为它们的环境同物体表面所呈现的亮度未必相同，因为它们的环境光反射系数不同。

光反射系数不同。

实际的环境光要复杂！

实际的环境光要复杂！

漫反射光计算漫反射光计算n点光源的照射：

点光源的照射：

照在物体的不同部分其亮度也不同照在物体的不同部分其亮度也不同.n漫反射漫反射（diffusereflection）:

粗糙、无光泽的表面对光的粗糙、无光泽的表面对光的反射，漫反射光的强度只与入射角有关，与视点无关反射，漫反射光的强度只与入射角有关，与视点无关n朗伯余弦定律：

朗伯余弦定律：

Id=IpKdcos漫反射特点：

漫反射特点：

光源来自一个光源来自一个方向，反射光方向，反射光均匀地射向各均匀地射向各个方向个方向漫反射和环境光漫反射和环境光nId=IpKdcosIp:

入射光强入射光强Kd：

漫反射系数（漫反射系数（01），取决于物体的材料属性和入），取决于物体的材料属性和入射光的波长射光的波长:

入射光与物体表面法矢的夹角，入射光与物体表面法矢的夹角，大于等于大于等于0，小于，小于等于等于90n光照明方程光照明方程（含环境光与漫反射光）（含环境光与漫反射光）I=Ie+Id=IaKa+IpKdcosn若若L、N为规格化，则为规格化，则nI=Ie+Id=IaKa+IpKd（LN）物体的颜色！

物体的颜色！

光源光源NLP漫反射为各光源的和：

漫反射为各光源的和：

Id=KdIp,i（LiN）多个点光源多个点光源如果用如果用RGB三个分量表示入射光的光强三个分量表示入射光的光强Ip=（Ipr,Ipg,Ipb）漫反射和环境光的计算：

漫反射和环境光的计算：

Idr=IprKdr（LN）Idg=IpgKdg（LN）Idb=IpbKdb（LN）当入射光为白光，当入射光为白光，IprIpgIpb，物体的颜色由，物体的颜色由漫反射系数确定。

调节物体的颜色，可以通过设定不漫反射系数确定。

调节物体的颜色，可以通过设定不同的同的Kdr、Kdg、Kdb。

光的分解光的分解镜面反射镜面反射n在理想光滑表面，当反射角等于入射角光线才反射。

在理想光滑表面，当反射角等于入射角光线才反射。

n特点：

光源来自一个方向，反射光集中在反射方向。

特点：

光源来自一个方向，反射光集中在反射方向。

n模拟光滑表面，在入射角，镜面反射光比漫反射和环模拟光滑表面，在入射角，镜面反射光比漫反射和环境光的光强高出许多倍。

可看到高光点境光的光强高出许多倍。

可看到高光点高高光光点点只只反反映映光光源源的的颜颜色色，在在白白光光照照射射下下，高高光点是白色光点是白色镜面反射镜面反射n理想反射面：

仅在反射方向光线才反射理想反射面：

仅在反射方向光线才反射n非理想反射面：

在一个很小范围能够看到高光非理想反射面：

在一个很小范围能够看到高光光源光源NLP反射方向反射方向R光源光源NLP反射方向反射方向R视点视点V镜面反射模型镜面反射模型nPhong模型模型:

Is=IpKscosn当当R、V规范化，则：

规范化，则：

Is=IpKs（RV）nnIs:

观察方向上的光强观察方向上的光强nIp:

入射光光强入射光光强nKs:

镜面反射光系数镜面反射光系数n：

RV的夹角的夹角nn:

与物体表面光滑度有关的常数，（与物体表面光滑度有关的常数，（12000），），n越大越大，表面越光滑表面越光滑简单光照明模型简单光照明模型n简单光照模型：

环境光漫反射镜面反射简单光照模型：

环境光漫反射镜面反射I=Ie+Id+Is=I=IaKa+IpKd（LN）+IpKs（RV）nn色彩的三分量：

色彩的三分量：

Ir=IarKar+IprKdr（LN）+Ks（RV）nIg=IagKag+IpgKdg（LN）+Ks（RV）nIr=IabKab+IpbKdb（LN）+Ks（RV）nn或：

或：

I（r,g,b）=Ia（r,g,b）Ka（r,g,b）+Ip（r,gb）Kd（r,g,b）（LN）+Ks（RV）n入射光入射光镜面反射镜面反射漫反射漫反射镜面反射镜面反射各种反射各种反射漫反射与镜面反射的效果漫反射与镜面反射的效果漫漫漫漫反反反反射射射射强强强强度度度度镜面反射强度镜面反射强度镜面反射强度镜面反射强度不同光源比和不同镜面参数的效果Z-Buffer消隐采用光照模型消隐采用光照模型n在消隐算法中填充前面多边形颜色时，用下式计在消隐算法中填充前面多边形颜色时，用下式计算真实颜色即可：

算真实颜色即可：

I（r,g,b）=Ia（r,g,b）Ka（r,g,b）+Ip（r,gb）Kd（r,g,b）（LN）+Ks（RV）n消隐：

离视点近的像素填充指定颜色消隐：

离视点近的像素填充指定颜色消隐：

离视点近的像素填充计算光照后的颜色消隐：

离视点近的像素填充计算光照后的颜色显示效果存在的问题显示效果存在的问题n一个多边形每点的（一个多边形每点的（LN）相等，计算的相等，计算的I也相等，也相等，多多边形内颜色亮度不变边形内颜色亮度不变n两个不同的多边形，法矢相同，两个不同的多边形，法矢相同，表面颜色和亮度无法表面颜色和亮度无法区别区别n两个不同的多边形，法矢不相同，在表面邻接处颜色两个不同的多边形，法矢不相同，在表面邻接处颜色和亮度突变，和亮度突变，产生产生“马赫带效应马赫带效应”。

效果填充图效果填充图马赫带效应肉眼感觉到的亮度变化比马赫带效应肉眼感觉到的亮度变化比实际的亮度变化要大实际的亮度变化要大多边形绘制方法（明暗处理）多边形绘制方法（明暗处理）n解决方法：

解决方法：

n均匀着色：

均匀着色：

每个多边形同样的颜色，用多边每个多边形同样的颜色，用多边形逼近获得效果形逼近获得效果n光滑着色，亦称插值着色光滑着色，亦称插值着色nGouraud着色方法着色方法nPhong着色方法着色方法均匀着色均匀着色n均匀着色均匀着色:

在多边形内的一点，利用光照模型计算颜色在多边形内的一点，利用光照模型计算颜色和光强，内部所有点均填充这个颜色。

和光强，内部所有点均填充这个颜色。

n当一个物体用很多多边形近似时，多边形足够小，效当一个物体用很多多边形近似时，多边形足够小，效果不错果不错1010等分等分4040等分等分4040等分等分多边形绘制方法（明暗处理）多边形绘制方法（明暗处理）nGouraud着色方法：

计算着色方法：

计算I，插值，插值I光照模型：

光照模型：

I=IaKa+IpKd（LN）+IpKs（RV）nnPhong着色方法：

计算着色方法：

计算N，插值，插值N，计算，计算I光照模型：

光照模型：

I=IaKa+IpKd（LN）+IpKs（RV）nGouraud着色方法着色方法通过对多边形顶点颜色进行线性插值来获得其内部各点颜通过对多边形顶点颜色进行线性插值来获得其内部各点颜色，又称色，又称颜色插值着色颜色插值着色方法。

方法。

对多边形网络中的每一个多边形，其着色步骤如下：

对多边形网络中的每一个多边形，其着色步骤如下：

1）计算多边形的单位法矢量；）计算多边形的单位法矢量；2）计算多边形）计算多边形顶点的单位法矢量顶点的单位法矢量；3）利用光照明方程计算顶点的颜色；）利用光照明方程计算顶点的颜色；4）在扫描线消隐算法中，对多边形顶点颜色进行）在扫描线消隐算法中，对多边形顶点颜色进行双线双线性插值性插值，获得多边形内部（位于多边形内的扫描线上），获得多边形内部（位于多边形内的扫描线上）各点的颜色。

各点的颜色。

I2I4I1I3IaIb顶点的法矢怎么算？

顶点的法矢怎么算？

计算多边形和多边形顶点的单位法矢计算多边形和多边形顶点的单位法矢n计算面的法矢计算面的法矢nA点的法向量取相邻面的平均：

点的法向量取相邻面的平均：

Na=（N1+N2+N3+N4）/4N1N2N3N4NaI1I2I3I4IaIbIsys计算多边形顶点的光强并插值计算多边形顶点的光强并插值n计算计算I1的光强（利用该点的法矢和简单光照模型）的光强（利用该点的法矢和简单光照模型）n计算计算I2的光强（利用该点的法矢和简单光照模型）的光强（利用该点的法矢和简单光照模型）n插值当前扫描线插值当前扫描线Ia和和Ib的光强：

的光强：

Ia=I1（ys-y2）+I2（y1-ys）/（y1-y2）Ib=I1（ys-y4）+I4（y1-ys）/（y1-y4）n插值当前扫描线插值当前扫描线Is的光强：

的光强：

nIs=Ia（xb-xs）+Ib（xs-x