计算机图形学chap10PPT文档格式.ppt

1、基本概念基本概念5p真实感图形绘制步骤真实感图形绘制步骤n在计算机中进行场景造型；在计算机中进行场景造型；n进行取景变换和透视变换；进行取景变换和透视变换；n进行消隐处理；进行消隐处理；n进行真实感图形绘制。进行真实感图形绘制。基本概念基本概念6p简单光照模型简单光照模型p环境光环境光p漫反射光漫反射光p镜面反射光镜面反射光p光强衰减光强衰减p颜色处理颜色处理10.1 10.1 简单光照模型简单光照模型7p简单光照模型中只考虑反射光的作用。简单光照模型中只考虑反射光的作用。p反射光由环境光、漫反射光和镜面反射光三部反射光由环境光、漫反射光和镜面反射光三部分组成。分组成。简单光照模型简单光照模型

2、8p特点：照射在物体上的光来自周围各个方向，特点：照射在物体上的光来自周围各个方向，又均匀地向各个方向反射。又均匀地向各个方向反射。pP点对环境光的反射强度为点对环境光的反射强度为环境光环境光（Background Light）图图1 环境光的反射环境光的反射9p一个粗糙的、无光泽的表面呈现为漫反射。一个粗糙的、无光泽的表面呈现为漫反射。p特点：光源来自一个方向，反射光均匀地射向特点：光源来自一个方向，反射光均匀地射向各个方向。各个方向。p由由Lambert余弦定理可余弦定理可得点得点P处漫反射光的强度为：处漫反射光的强度为：漫反射光（漫反射光（Diffuse Reflection）图图2 漫

3、反射漫反射10p若若L和和N都已规格化为单位矢量，则有都已规格化为单位矢量，则有漫反射光（漫反射光（Diffuse Reflection）图图2 漫反射漫反射11p对于彩色对于彩色漫反射光（漫反射光（Diffuse Reflection）p对于多个漫反射光源对于多个漫反射光源12p镜面反射遵循反射定律，入射光和反射光分别镜面反射遵循反射定律，入射光和反射光分别位于表面法矢的两侧。位于表面法矢的两侧。p如果观察者正好处在如果观察者正好处在P点的镜面反射方向上，就点的镜面反射方向上，就会看到一个比周围会看到一个比周围亮得多的高光点亮得多的高光点。镜面反射光镜面反射光图图3 镜面反射镜面反射13p镜

4、面反射情况由镜面反射情况由Phong模型给出：模型给出：镜面反射光镜面反射光图图3 镜面反射镜面反射p若若R和和V已规格化为单已规格化为单位矢量，则：位矢量，则：14p从视点观察到物体上任一点从视点观察到物体上任一点P处的光强度处的光强度I应为应为环境光反射光强度环境光反射光强度Ie、漫反射光强度漫反射光强度Id以及镜面以及镜面反射光的光强度反射光的光强度Is的总和：的总和：物体表面光强计算物体表面光强计算15p光在传播的过程中，其能量会发生衰减。光照光在传播的过程中，其能量会发生衰减。光照模型中必须考虑光强衰减，否则会影响生成图模型中必须考虑光强衰减，否则会影响生成图形的真实效果。形的真实效

5、果。p光强的衰减可以采用常数衰减、一次函数衰减光强的衰减可以采用常数衰减、一次函数衰减和二次函数衰减等。和二次函数衰减等。光强衰减光强衰减16p常用的二次衰减函数常用的二次衰减函数光强衰减光强衰减17p选择颜色模型选择颜色模型（color model）n面向硬件的颜色模型：面向硬件的颜色模型：RGB、CYMn面向视觉感知的颜色模型：面向视觉感知的颜色模型：HSIp为颜色分量指定光照模型为颜色分量指定光照模型颜色颜色18p以以RGB颜色模型为例颜色模型为例n环境光强度：环境光强度：n入射光强度：入射光强度：n环境光反射系数：环境光反射系数：n漫反射系数：漫反射系数：n镜面反射系数：镜面反射系数：

6、颜色颜色19p光强计算公式：光强计算公式：颜色颜色20p恒定光强恒定光强pGouraud明暗处理明暗处理pPhong明暗处理明暗处理10.210.2 基于简单光照模型的多边形绘制基于简单光照模型的多边形绘制21p只用一种颜色绘制整个多边形只用一种颜色绘制整个多边形n光源在无穷远处，则多边形上所有点的光源在无穷远处，则多边形上所有点的LN为常数，衰减函数也是一个常数。为常数，衰减函数也是一个常数。n视点在无穷远处，则多边形上所有点的视点在无穷远处，则多边形上所有点的VR为常数。为常数。n多边形是景物表面的精确表示，即不是一个多边形是景物表面的精确表示，即不是一个含曲线面景物的近似表示。含曲线面景

7、物的近似表示。恒定光强恒定光强22pGouraud明暗处理方法，又称为亮度插值明暗明暗处理方法，又称为亮度插值明暗处理，它通过对多边形顶点颜色进行线性插值来处理，它通过对多边形顶点颜色进行线性插值来绘制其内部各点，其步骤为：绘制其内部各点，其步骤为：n计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量；计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量；n对每个顶点根据简单光照模型来计算其光强；对每个顶点根据简单光照模型来计算其光强；n在多边形表面上将顶点强度进行线性插值。在多边形表面上将顶点强度进行线性插值。Gouraud明暗处理明暗处理23p双线性插值方法双线性插值方法Gouraud明暗处理明暗处理图图4 Goura

8、ud 明暗处理的双线性插值明暗处理的双线性插值24pPhong明暗处理方法，又称为法矢量插值明暗明暗处理方法，又称为法矢量插值明暗处理，它对多边形顶点的法矢量进行插值以产生处理，它对多边形顶点的法矢量进行插值以产生中间各点的法矢量，其步骤为：中间各点的法矢量，其步骤为：n用双线性插值方法求得多边形内部各点的法用双线性插值方法求得多边形内部各点的法矢量。矢量。n最后按光照模型确定多边形内部各点的光强。最后按光照模型确定多边形内部各点的光强。Phong明暗处理明暗处理25p矢量双线性插值方法矢量双线性插值方法Phong明暗处理明暗处理图图5 Phong明暗处理的矢量双线性插值明暗处理的矢量双线性插

9、值2610.310.3 透明处理透明处理图图6 透明表面的光强包括反射光和折射光透明表面的光强包括反射光和折射光27透明处理透明处理图图7 简单的透明处理简单的透明处理28透明处理透明处理图图8 光的折射光的折射2910.410.4 产生阴影产生阴影p阴影是由于物体截断了光线而产生的，所以如果阴影是由于物体截断了光线而产生的，所以如果光源位于物体一侧的话，阴影总是位于物体的另光源位于物体一侧的话，阴影总是位于物体的另一侧，也就是与光源相反的一侧。一侧，也就是与光源相反的一侧。p从理论上来说，从视点以及从光源看过去都是可从理论上来说，从视点以及从光源看过去都是可见的面不会落在阴影中，只有那些从视

10、点看过去见的面不会落在阴影中，只有那些从视点看过去是可见的，而从光源看过去是不可见的面，肯定是可见的，而从光源看过去是不可见的面，肯定落在阴影之内。落在阴影之内。30产生阴影产生阴影p产生具有阴影的图形绘制算法产生具有阴影的图形绘制算法n将视点移到光源位置，用多边形区域排序消将视点移到光源位置，用多边形区域排序消隐算法，将多边形分成两大类：向光多边形隐算法，将多边形分成两大类：向光多边形和背光多边形。和背光多边形。n将视点移到原来的观察位置，对向光多边形将视点移到原来的观察位置，对向光多边形和背光多边形进行消隐，并选用一种光照模和背光多边形进行消隐，并选用一种光照模型计算多边形的亮度，就可得到

11、有阴影效果型计算多边形的亮度，就可得到有阴影效果的图形。的图形。3110.510.5 模拟景物表面细节模拟景物表面细节p颜色纹理：通过颜色色彩或明暗度的变化体现出颜色纹理：通过颜色色彩或明暗度的变化体现出来的表面细节。来的表面细节。p几何纹理：由于不规则的细小凹凸造成的。几何纹理：p颜色纹理取决于物体表面的光学属性，而几何纹颜色纹理取决于物体表面的光学属性，而几何纹理由物体表面的微观几何形状决定。理由物体表面的微观几何形状决定。3210.510.5 模拟景物表面细节模拟景物表面细节p用多边形模拟表面细节用多边形模拟表面细节p纹理的定义和映射纹理的定义和映射p凹凸映射凹凸映射33多边形模拟表面细

12、节多边形模拟表面细节p简单地模拟景物表面细节的方法是用多边形，称简单地模拟景物表面细节的方法是用多边形，称为表面图案多边形，来模拟纹理的结构和模式。为表面图案多边形，来模拟纹理的结构和模式。p处理时，首先根据待生成的颜色纹理构造表面图处理时，首先根据待生成的颜色纹理构造表面图案多边形，然后将表面图案多边形覆盖到物体的案多边形，然后将表面图案多边形覆盖到物体的表面上。表面上。34纹理映射和定义纹理映射和定义p生成颜色纹理的一般方法，是预先定义纹理模式，生成颜色纹理的一般方法，是预先定义纹理模式，然后建立物体表面的点与纹理模式的点之间的对然后建立物体表面的点与纹理模式的点之间的对应。当物体表面的可

13、见点确定之后，以纹理模式应。当物体表面的可见点确定之后，以纹理模式的对应点参与光照模型进行计算，就可把纹理模的对应点参与光照模型进行计算，就可把纹理模式附到物体表面上。这种方法称为纹理映射式附到物体表面上。这种方法称为纹理映射（Texture Mapping）。）。35纹理映射和定义纹理映射和定义图图9 纹理映射中纹理空间、物体空间和像素空间的变换纹理映射中纹理空间、物体空间和像素空间的变换36纹理映射和定义纹理映射和定义图图10 由像素空间向纹理空间的映射由像素空间向纹理空间的映射37凹凸映射凹凸映射p1978年，年，Blinn提出了一种无需修改表面几何提出了一种无需修改表面几何模型，即能模

14、拟表面凹凸不平效果的有效方法模型，即能模拟表面凹凸不平效果的有效方法凹凸映射技术（凹凸映射技术（Bump Mapping）。3810.610.6 整体光照模型与光线跟踪整体光照模型与光线跟踪p整体光照模型整体光照模型pWhitted光照模型光照模型p光线跟踪算法光线跟踪算法39整体光照模型整体光照模型p一个完整的光照明模型应该包括由光源和环境引一个完整的光照明模型应该包括由光源和环境引起的漫反射分量、镜面反射分量、规则透射分量起的漫反射分量、镜面反射分量、规则透射分量以及漫透射分量等。以及漫透射分量等。n仅考虑由光源引起的漫反射分量和镜面反射仅考虑由光源引起的漫反射分量和镜面反射分量，而环境反射分量则简单地用一常数来分量，而环境反射分量则简单地用一常数来代替，这类光照模型称为局部光照模型。代替，这类光照模型称为局部光照模型。n能同时模拟光源和环境照明效果的光照模型能同时模拟光源和环境照明效果的光照模型称为整体光照模型。称为整体