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第五章 虚拟环境的绘制技术 第五节 光照模型 简单光照模型 局部光照模型 光 透 射 模 型 整体光照模型 6.1 简单光照明模型 ??? 当光照射到物体表面时，光线可能被吸收、反射和透射。被物体吸收的部分转化为热。反射、透射的光进入人的视觉系统，使我们能看见物体。 为模拟这一现象，建立一些数学模型来替代复杂的物理模型。这些模型就称为明暗效应模型或者光照明模型。三维形体的图形经过消隐后，再进行明暗效应的处理，可以进一步提高图形的真实感。 ??? 为了使读者对于光照明模型有一个感性上的认识，先介绍一下光照明模型的早期发展情况： ??? 1967年，Wylie等人第一次在显示物体时加进光照效果。Wylie认为：物体表面上一点的光强，与该点到光源的距离成反比。 ??? 1970年，Bouknight在Comm. ACM上发表论文，提出第一个光反射模型，指出物体表面朝向是确定物体表面上一点光强的主要因素，用Lambert漫反射定律计算物体表面上各多边形的光强，对光照射不到的地方，用环境光代替。 ??? 1971年，Gourand在IEEE Trans. Computers上发表论文，提出漫反射模型加插值的思想。对多面体模型，用漫反射模型计算多边形顶点的光亮度，再用增量法插值计算。 ??? 1975年，Phong在Comm. ACM上发表论文，提出图形学中第一个有影响的光照明模型。Phong模型虽然只是一个经验模型，但是其真实度已达到可以接受的程度。 ???  一、 相关知识???? ? （一）光的传播 ??? 在正常的情况下，光沿着直线传播，当光遇到介质不同的表面时，会产生反射和折射现象，而且在反射和折射的时候，它们遵循反射定律和折射定律。 ??? （1）反射定律：入射角等于反射角，而且反射光线、入射光线与法向量在同一平面上。 （3）能量关系：在光的反射和折射现象中，能量是守恒的，能量的分布情况满足这样的一个式子： Ii = Id + Is + It + Iv 其中： Ii为入射光强，由直接光源或间接光源引起； Id为漫反射光强，由表面不光滑引起 Is为镜面反射光强，由表面光滑性引起； It为透射光，由物体的透明性引起; Iv为被物体所吸收的光，由能量损耗引起。 （2）点发光强度 ??? 光通量：单位时间内通过面元ds的光能量，记为dF。 ??? 发光强度：点光源在某个方向上的发光强度，定义为该方向上单位立体角内的光通量，即 ??? 各向同性的点光源，在各个方向上单位立体角内通过的光通量相等，即在各个方向上发光强度相等。设发光强度为I，则点光源向外辐射的整个光通量为球立体角内的光通量， 即 ?? ?二、 Phong光照明模型?? 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) 对于其中的一些现象，会在后面的小节中陆续给出真实感图形学中的模拟，首先先来介绍对于光反射现象的研究。 ??? 简单光照明模型：模拟物体表面对光的反射作用，光源被假定为点光源。 反射作用被细分为： 镜面反射(Specular Reflection) 和漫反射(Diffuse Reflection)。 简单光照明模型只考虑物体对直接光照的反射作用，而物体间的光反射作用，只用环境光(Ambient Light)来表示。 Phong光照明模型就是这样的一种模型。下面，分别从光反射作用的各个组成部分来介绍这个简单光照明模型。 （一）理想漫反射 ??? 当光源来自一个方向时，漫反射光均匀向各方向传播，与视点无关，它是由表面的粗糙不平引起的，因而漫反射光的空间分布是均匀的。 记入射光强为Ip，物体表面上点P 的法向为N ，从点P指向光源的向量为L，两者间的夹角为?，由Lambert余弦定律，则漫反射光强为： 其中，Kd是与物体有关的漫反射系数, 0Kd1 。当L、N为单位向量时，上式也可用如下形式表达： 在有多个光源的情况下，可以有如下的表示： 。 ??? 漫反射光的颜色由入射光的颜色和物体表面的颜色共同设定，在RGB颜色模型下，漫反射系数Kd有三个分量 ，分别代表RGB三原色的漫反射系数，它们是反映物体颜色的，通过调整它们，可以设定物体的颜色。同样的，也可以把入射光强I设为三个分量 ，通过这些分量的值来调整光源的颜色。 ??? （二）镜面反射光 ??? 对于理想镜面，反射光集中在一个方向，并遵守反射定律。对一般的光滑表面，反射光集中在一个范围内，且