gjlchp10真實(shí)感圖形繪制ppt課件

1、第十章 真實(shí)感圖形繪制n簡(jiǎn)單光照明模型n多邊形繪制方法n透明n整體光照明模型n光線跟蹤算法第十章 真實(shí)感圖形繪制光照模型(Illumination Model):計(jì)算某一點(diǎn)的光強(qiáng)度的模型真實(shí)感圖形的特點(diǎn)n能反映物體表面顏色和亮度的細(xì)微變化n能表現(xiàn)物體表面的質(zhì)感n能通過(guò)光照下的物體陰影，極大地改善場(chǎng)景的深度感和層次感，充分體現(xiàn)物體間的相互遮擋關(guān)系n能模擬透明物體的透明效果和鏡面物體的鏡面效果影響觀察者看到的表面顏色的因素物體的幾何形狀光源 位置、間隔、顏色、數(shù)量、強(qiáng)度、種類環(huán)境 遮擋關(guān)系、光的反射與折射、陰影視點(diǎn)位置物性 資料、顏色、透明度 折射性表面光潔度光源幾何性質(zhì)點(diǎn)光源線光源面光源光譜組成

2、白色光等能量的各種波長(zhǎng)可見(jiàn)光的組合彩色光單色光真實(shí)感圖形學(xué)早期發(fā)展n1967年，Wylie等人第一次在顯示物體時(shí)加進(jìn)光照效果，認(rèn)為光強(qiáng)與距離成反比。n1970年，Bouknight提出第一個(gè)光反射模型：Lambert漫反射環(huán)境光n1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的思想n1975年，Phong提出圖形學(xué)中第一個(gè)有影響的光照明模型相關(guān)物理知識(shí)n光的傳播n反射定律：入射角等于反射角，而且反射光線、入射光線與法向量在同一平面上 光源 法向量 入射光 反射光 視野 折射定律n折射定律：折射線在入射線與法線構(gòu)成的平面上，折射角與入射角滿足入射光折射光2112sinsin能量關(guān)系n在光的反射和

3、折射現(xiàn)象中的能量分布：n下標(biāo)為i,d,s,t,v的能量項(xiàng)分別表示為入射光強(qiáng)，漫反射光強(qiáng)，鏡面反射光強(qiáng)，透射光強(qiáng)，吸收光強(qiáng)n能量是守恒的idstvIIIII簡(jiǎn)單光照明模型模擬物體表面的光照明物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型光照明模型簡(jiǎn)單光照明模型亦稱局部光照明模型，其假定物體是不透明的，只考慮光源的直接照射，而將光在物體之間的傳播效果籠統(tǒng)地模擬為環(huán)境光?？梢蕴幚砦矬w之間光照的相互作用的模型稱為整體光照明模型簡(jiǎn)單光照明模型 光照射到物體表面，主要發(fā)生：反射透射對(duì)透明物體）部分被吸收成熱能反射光，透射光決定了物體所呈現(xiàn)的顏色簡(jiǎn)單光照明模型-環(huán)境光 假定物體是不透明的即無(wú)透射光）環(huán)境光：在空間中近似均勻分布，即在任

4、何位置、任何方向上強(qiáng)度一樣,記為Ia環(huán)境光反射系數(shù)Ka：在分布均勻的環(huán)境光照射下，不同物體表面所呈現(xiàn)的亮度未必相同，因?yàn)樗鼈兊沫h(huán)境光反射系數(shù)不同。光照明方程僅含環(huán)境光）： Ie = KaIa Ie為物體表面所呈現(xiàn)的亮度。簡(jiǎn)單光照明模型- 環(huán)境光例子n具有不同環(huán)境光反射系數(shù)的兩個(gè)球0 . 1aI4 . 0aK8 . 0aK簡(jiǎn)單光照明模型-環(huán)境光n缺陷：雖然不同的物體具有不同的亮度，但是同一物體的表面的亮度是一個(gè)恒定的值，沒(méi)有明暗的自然過(guò)度。簡(jiǎn)單光照明模型n考慮引入點(diǎn)光源。n點(diǎn)光源：幾何形狀為一個(gè)點(diǎn)，位于空間中的某個(gè)位置，向周圍所有的方向上輻射等強(qiáng)度的光。記其亮度為Ipn點(diǎn)光源的照射：在物體的不同

5、部分其亮度也不同，亮度的大小依賴于物體的朝向及它與點(diǎn)光源之間的距離.簡(jiǎn)單光照明模型：-漫反射角度余弦的推導(dǎo)n漫反射n粗糙、無(wú)光澤物體如粉筆表面對(duì)光的反射n光照明方程n 漫反射的亮度n 點(diǎn)光源的亮度n 漫反射系數(shù)n 入射角n漫反射光的強(qiáng)度n只與入射角有關(guān)2, 0cosdpdKIIpIdKdI簡(jiǎn)單光照明模型-漫反射n將環(huán)境光與漫反射結(jié)合起來(lái)n一般取Ian= (0.020.2)Idn例子)(NLKIKIIIIdpaade簡(jiǎn)單光照明模型-漫反射缺陷：對(duì)于許多物體，使用上式計(jì)算其反射光是可行的，但對(duì)于大多數(shù)的物體，如擦亮的金屬、光滑的塑料等是不適用的，原因是這些物體還會(huì)產(chǎn)生鏡面發(fā)射。簡(jiǎn)單光照明模型-鏡面

6、反射n鏡面反射n光滑物體如金屬或塑料表面對(duì)光的反射n高光n入射光在光滑物體表面形成的特別亮的區(qū)域簡(jiǎn)單光照明模型-鏡面反射n理想鏡面反射n觀察者只能在反射方向上才能看到反射光，偏離了該方向則看不到任何光。簡(jiǎn)單光照明模型-鏡面反射n非理想鏡面反射nP為物體表面上一點(diǎn)，L為從P指向光源的單位矢量，N為單位法矢量，R為反射單位矢量，V為從P指向視點(diǎn)的單位矢量 光滑平面I = Ip K scosna鏡面簡(jiǎn)單光照明模型-鏡面反射n鏡面反射nIs為鏡面反射光強(qiáng)。 點(diǎn)光源的亮度nKs是與物體有關(guān)的鏡面反射系數(shù)。n為鏡面反射指數(shù)，n越大，則Is隨a的增大衰減的越快。n n的取值與表面粗糙程度有關(guān)。nn越大，表面

7、越平滑散射現(xiàn)象少，稍一偏離，明暗亮度急劇下降）nn越小，表面越毛糙散射現(xiàn)象嚴(yán)重）nspsKIIcosnspsRVKII)(或pI簡(jiǎn)單光照明模型-鏡面反射n反射方向計(jì)算nL在N上的投影矢量為Ncosu，則S+L= Ncosu n記矢量S= Ncosu -Ln則有R= Ncosu +SLLNNLNR2cos2NRLVSS簡(jiǎn)單光照明模型-Phong光照明模型n簡(jiǎn)單光照明模型模擬物體表面對(duì)光的反射作用,光源為點(diǎn)光源n反射作用分為n物體間作用用環(huán)境光(Ambient Light)n漫反射(Diffuse Reflection)n鏡面反射(Specular Reflection)簡(jiǎn)單光照明模型-Phong

8、光照明模型nPhong光照明模型的綜合表述：由物體表面上一點(diǎn)P反射到視點(diǎn)的光強(qiáng)I為環(huán)境光的反射光強(qiáng)Ie、理想漫反射光強(qiáng)Id、和鏡面反射光Is的總和。)()(nsdpaasdeRVKNLKIKIIIII簡(jiǎn)單光照明模型-Phong光照明模型的實(shí)現(xiàn)n對(duì)物體表面上的每個(gè)點(diǎn)P，均需計(jì)算光線的反射方向。為了減少計(jì)算量，假設(shè)：n光源在無(wú)窮遠(yuǎn)處，L為常向量n視點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處，V為常向量n（HN近似RV），H為L(zhǎng)與V的平分向量N HLRaVbH-L和V的角平分線 對(duì)所有的點(diǎn)總共只需計(jì)算一次H的值，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間簡(jiǎn)單光照明模型-Phong光照明模型nPhong模型幾何P PL LN NH HR RV V簡(jiǎn)單光照明模

9、型-光的衰減n光的衰減n兩個(gè)階段：n1從光源到物體表面的過(guò)程中的衰減n2從物體表面到人眼過(guò)程中的衰減n總的效果：物體表面的亮度降低n光照明方程n 1有效衰減函數(shù)的加入n2深度暗示技術(shù)的加入簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減n光的衰減n光在光源到物體表面過(guò)程中的衰減n光強(qiáng)按 1/d2 進(jìn)行衰減：n缺陷：當(dāng)d很大時(shí)，變化很小；當(dāng)d很小時(shí)，變化很大。n衰減函數(shù)n光照明方程) 1 ,1min()(2210dcdccdf)()()(nsdpaaRVKNLKIdfKII簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減n光在物體表面到人眼過(guò)程中的衰減n深度暗示Depth Cueing技術(shù)：最初用于線框圖形的顯示，使距離遠(yuǎn)的點(diǎn)比近的點(diǎn)暗一些。

10、經(jīng)過(guò)改進(jìn)，這種技術(shù)同樣適用于真實(shí)感圖形顯示。n設(shè)前參考面Z=Zf，后參考面Z=Zb；其比例因子分別為Sf和Sb（ Sf和Sb e0,1）。給定物體上一點(diǎn)的深度值Z0，該點(diǎn)對(duì)n 應(yīng)的比例因子S0按如下n 方式確定前參考面后參考面簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減n當(dāng)Z0 Zf時(shí)，取S0=Sfn當(dāng)Z0 ht,即qtqi。如果入射角不斷增大，到一定的程度，折射角qt =90度，此時(shí)透射光線沿著平行于分界面的方向傳播，稱此時(shí)的qi為臨界角度，記為qc 。當(dāng)qi qc時(shí)，發(fā)生全反射，透射與反射光合二為一。n如何產(chǎn)生帶有折射的透明效果呢？光透射模型的研究n早期簡(jiǎn)單透射現(xiàn)象的模擬n1980年，Whitted光透射模型

11、，首次考慮了光線的折射現(xiàn)象n1983年，在Whitted的基礎(chǔ)上，Hall光透射模型，考慮了漫透射和規(guī)則透射光整體光照明模型 簡(jiǎn)單光照模型亦稱局部光照模型不考慮周圍環(huán)境對(duì)當(dāng)前景物表面的光照明影響，忽略了光在環(huán)境景物之間的傳遞，很難表現(xiàn)自然界復(fù)雜場(chǎng)景的高質(zhì)量真實(shí)感圖形。為了增加圖形的真實(shí)感，必須考慮環(huán)境的漫射、鏡面反射和規(guī)則投射對(duì)景物表面產(chǎn)生的整體照明效果。 整體光照明模型n物體表面入射光的構(gòu)成n（1光源直接照射n（2其它物體的反射光n（3透射光n局部光照明模型僅考慮了1）整體光照明模型n例如：從視點(diǎn)觀察到的物體A表面的亮度來(lái)源于三方面的貢獻(xiàn)：n（1光源直接照射到A的表面，然后被反射到人眼中的光

12、產(chǎn)生的。n（2光源或其它物體的光經(jīng)A物體折射到人眼中的光產(chǎn)生的。n（3物體B的表面將光反射到物體A的表面，再經(jīng)物體A的表面反射到人眼中產(chǎn)生的。n局部光照明模型僅考慮了1）Witted光照模型nWhitted光照模型基于如下假設(shè)：n物體表面向視點(diǎn)方向V輻射的光亮度Il由三部分組成：n（1光源直接照射引起的反射光亮度Ill。n（2來(lái)自V的鏡面反射方向R的其它物體反射或折射來(lái)的光的亮度Isl。n（3來(lái)自V的透射方向T的其它物體反射或折射來(lái)的光的亮度ItlWitted光照模型nWitted光照模型：Il= Ill + Ks Isl + KtItln或nIsl為鏡面反射方向的入射光強(qiáng)度；Ks為鏡面反射系

13、數(shù)，為01之間的一個(gè)常數(shù)nItl為折射方向光強(qiáng)，Kt為透射系數(shù)，是0 1之間的常數(shù)nIll的計(jì)算可采用Phong模型n因此，關(guān)鍵是Is和It的計(jì)算。如何計(jì)算呢？tttssslICKICKIIWitted光照模型-反射、折射方向計(jì)算n已知視線方向V，求其反射方向R與折射方向TN是表面的法向方向）n視線V的反射方向Rn折射方向TNVRLTiititVVNNR)(2INTtiti)coscos(令光線跟蹤算法的基本原理n自然界中光線的傳播過(guò)程n光源物體表面物體表面n人眼n光線跟蹤過(guò)程-光線傳播的逆過(guò)程光線跟蹤算法的基本原理n從視點(diǎn)向每個(gè)象素發(fā)出一條光線，它與場(chǎng)景中的一些物體表面相交，最近的交點(diǎn)即為可

14、見(jiàn)點(diǎn)，記為P，像素的亮度即由P點(diǎn)的亮度確定。由Whitted光照模型可知，P點(diǎn)的亮度由三部分組成：其中Ill可以直接由局部光照模型計(jì)算得到。光線跟蹤算法的基本原理n為了求Isl和Itl，從P點(diǎn)發(fā)出反射光線和透射光線，它分別交場(chǎng)景中的物體表面于Ps和Pt，Ps和Pt點(diǎn)的亮度即分別為Isl和Itl ，將它們求出代入Whitted模型即可。但是，Isl和Itl同樣由Whitted模型確定，即Whitted模型是一個(gè)遞歸式，從而計(jì)算Isl和Itl需要重復(fù)以上的計(jì)算過(guò)程:計(jì)算局部光亮度、發(fā)出反射光線與透射光線?？梢杂靡豢霉饩€樹(shù)來(lái)表示光線跟蹤算法的基本原理n遞歸終止條件：n1、光線不與場(chǎng)景中的任何物體相交

15、n2、被跟蹤的光線達(dá)到了給定的層次n3、由于Ks和Kt都小于1.0，當(dāng)光線經(jīng)過(guò)反射和折射后，其亮度會(huì)衰減。因此可以預(yù)先設(shè)置一個(gè)閾值，在進(jìn)行光線跟蹤時(shí)，若被跟蹤光線對(duì)像素亮度的貢獻(xiàn)小于這個(gè)閾值，便停止跟蹤。光線跟蹤算法-算法描述設(shè)置視點(diǎn)，投影平面以及窗口的參數(shù)；For （窗口內(nèi)的每一條掃描線） for （掃描線上的每一個(gè)像素） 確定從視點(diǎn)指向像素中心的光線ray； 像素的顏色=RayTracing(ray,1)； 光線跟蹤算法描述Color RayTracing(Ray ray, int depth) 求ray與物體表面最近的交點(diǎn)P； if （有交點(diǎn)） 用局部光照明模型計(jì)算P點(diǎn)的Ic； color = Ic; if （