第8章 真实感图形的绘制.pptVIP

第八章 真实感图形的绘制 第一节 漫反射及具体光源的照明 第二节 多边形网的明暗处理 第三节 阴影 第四节 纹理 第五节 整体光照模型 第六节 光线跟踪 第七节 加速光线跟踪算法 第八节 辐射度方法 第九节 色彩模型 在光栅图形系统上显示的三维图形的真实感取决于能否成功地模拟明暗效应，这要求设计较好的明暗模型，用以计算可见表面应该显示的亮度和彩色。明暗模型并不需要精确地考虑真实世界中光线和表面的性质，而只需要在兼顾精确程度和计算成本的要求下，追求更好的显示效果。通常设计一个明暗模型需要考虑的主要问题是照明特性、表面特性和观察角度。 照明特性是指可见表面被照明的情况，主要有光源的数目和性质，环境光及阴影效应等。 表面特性主要是指表面对入射光线的反射、折射或透明的不同情形，还有表面的纹理及颜色等。 观察角度是指观察景物时观察者相对可见表面所在的位置。 不同明暗模型的区别主要在于模拟的方法，实现的复杂程度，及取得的显示效果等方面。 一般来说，明暗模型可以分解为三个部分，即漫射照明、具体光源的照射及透射效应。具体光源的照明产生的效果又分为漫反射和镜面反射两部分。 简单的光照模型仅考虑光源照射在物体表面产生的反射光。 复杂的光照明模型(整体光照模型) 要考虑周围环境的光对物体表面的影响。 第一节 漫反射及具体光源的照明 1．环境光 在多数实际环境中，存在由于许多物体表面多次反射而产生的均匀的照明光线，这就是环境光线。环境光线的存在使物体得到漫射照明. 亮度计算如下： I=Ia· Ka 其中I是可见表面的亮度，Ia是环境光线的总亮度，Ka是物体表面对环境光线的反射系数，它在0到1之间. 2．漫反射 具体光源在物体表面可以引起漫反射和镜面反射。漫反射是指来自具体光源的能量到达表面上的某一点后，就均匀地向各个方向散射出去，使得观察者从不同角度观察时，这一点呈现的亮度是相同的。 通常不光滑的粗糙表面总是呈现出漫反射的效果 Lambert定律指出，漫反射的效果与表面相对于光源的取向有关，即： Id=Ip · Kd ·cosθ 其中Id是漫反射引起的可见表面上一点的亮度。Ip是点光源发出的入射光线引起的亮度。Kd是漫反射系数，它的取值在0到1之间，随物体材料不同而不同。 θ是可见表面法向N和点光源方向L之间的夹角，即入射角，它应该在0°到90°之间。 为了简化公式中余弦值的实际计算，可以假定向量N和L都已经正规化，即已经是长度为1的单位向量，这样就可以使用向量的数量积或内积。 因为这时cosθ= L · N ，于是得： Id=Ip · Id ·(L · N) 将环境光线和漫反射的效果结合起来，计算亮度的公式应该写成： I=Ia· Ka + Ip · Id ·(L · N) 对于平行投影，光源在无穷远处，故距离R成为无穷大。对于透视投影，1/R2也常常有很大的数值范围而使效果不好。一种比较逼真的效果，可通过用r+k代替R2来获得： I=Ia· Ka + Ip · Id ·( L · N ) /(r+k) 其中r是光源到表面的距离，k是根据经验选取的一个常数。 3.镜面反射与Phong模型 镜面反射是指来自具体光源的光能到达可见表面上的某一点后，主要沿着由射入角等于反射角所决定的方向传播，从而使得观察者从不同角度观察时，这一点呈现的亮度并不相同。 在任何有光泽的表面上都可以观察到镜面反射的效果。例如，用很亮的光照射一个红色的苹果，会发现最亮点不是红色的，而是有些呈现白色，这是入射光线的颜色。这个最亮点就是有镜面反射引起的。如果观察者移动位置，会看到最亮点也随之移动。 由Phong Bui-Tuong提出的光照明模型，用cosnα来近似反射光线引起的亮度随着α增大而下降的速率。n取值一般在1到2000之间，决定于反射表面的有关性质。对于理想的反射表面，n就是无穷大。这里选用cosnα，是以经验观察为基础的。 对实际物质来说，被镜面反射的入射光的数量是与入射角θ有关的。如果将镜面反射光的百分数记为W(θ)，那么就可以将计算表面亮度的公式修改而得到： 这里可以假定反射光线的方向向量R和指向观察点的向量V都已经正规化，即已经是长度为1的单位向量，于是可以简单地利用向量内积计算余弦值：cosα=R · V .对W(θ)，通常根据经验选取一个常数ks来代替，这样公式可写成下面更容易计算的形式： 对于彩色表面，上述各公式也可以应用，只需分别应用于对各颜色分量的计算。例如，选择通常的红、绿、蓝颜色系统，这时上述公式中有关亮度及反射系数等，就要看做是三元向量。通过分别对各颜色分量进行计算，就可以完成对彩色表面的亮度计算。