計算機(jī)圖形學(xué)--明暗處理

1、計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計1圖形真實感簡介2光的顏色3光的明亮程度4明暗處理下午7時17分2計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-圖形真實感簡介建筑幾何外形具有色彩的建筑下午7時17分3計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-圖形真實感簡介中的面部表情下午7時17分4計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-圖形真實感簡介圖形真實感應(yīng)用：游戲電影建筑醫(yī)療下午7時17分5計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計1圖形真實感簡介2光的顏色3光的明亮程度4明暗處理下午7

2、時17分6計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-光的顏色人們對于人眼的彩色機(jī)理有以下這種假設(shè)：人眼視網(wǎng)膜上的椎狀細(xì)胞有三種類型：紅敏紅敏細(xì)胞細(xì)胞綠綠敏敏細(xì)胞細(xì)胞藍(lán)藍(lán)敏敏細(xì)胞細(xì)胞下午7時17分7計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-光的顏色三基色模型三基色模型RGBCMYYIQHSVHLSRed（紅色） Green（綠色） Blue（藍(lán)色）Cyan（青色） Magenta（品紅） Yellow（黃色）Y（brightness 亮度）IQ（Chrominance 色調(diào)）Hue（色相）Saturation（飽和度）Value（明暗度值）Hue（色相） Lightnes

3、s（亮度） Saturation（飽和度）下午7時17分8計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計1圖形真實感簡介2光的顏色3光的明亮程度4明暗處理下午7時17分9計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-光的明亮程度同一束光的明亮程度是因人而異。光的輻射功率是可以客觀測量的。光的輻射功率越大，相應(yīng)的光越不容易為人的眼睛所感覺得到。反之亦然。下午7時17分10下午7時17分11計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-光的明亮程度11000s1500s1100s110s15s12s1s5s只改變曝光時間，其他參數(shù)不變計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實

4、感圖形設(shè)計1圖形真實感簡介2光的顏色3光的明亮程度4明暗處理下午7時17分12計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理真實感圖形光源傳播物體反射光線入眼下午7時17分13計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理光的強(qiáng)度與距離d的平方成反比。當(dāng)d為極限值時，光的強(qiáng)度改變得太快，導(dǎo)致不同的物體的明暗差別太大。通常使用d的線性或是二次函數(shù)的倒數(shù)來實現(xiàn)光強(qiáng)度的衰減。21(d)fabdcd可以調(diào)整a、b、c的值來實現(xiàn)不同的光照效果。光傳播計算模型光傳播計算模型下午7時17分14計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理在靠近反射光方向上仍然

5、可以觀察到反射光，形成了反射光方向周圍的一個高光區(qū)。這與物體表面粗糙度有關(guān)系。下午7時17分15計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理觀察方向與反射方向的夾角一個簡單的鏡面反射模型：設(shè)R和V分別表示反射光和觀察方向的單位方向向量， 是反射光線和觀察方向的夾角，上式也可以表示為：鏡面反射方向的單位向量R根據(jù)入射光線向量I、法線向量N決定 1cosnskI1(R V)nskI其中： 為入射光強(qiáng)， 為表面的反射系數(shù)（與表面材料和入射角有關(guān)）。下午7時17分16計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理求反射光線方向向量求反射光線方向向量R R：假設(shè)L、N、

6、R都是單位向量，如圖：向量OB為向量L在向量N上的投影向量，則有:因此可得反射光線的方向向量：(L)NOBN 22(OBOA)2(L N)N L)ACAB 2(L N)N LROCOAAC 下午7時17分17計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理漫反射的漫反射的計算：計算：漫反射光均勻地想四周發(fā)散。對于不是鏡面的物體表面，如果光線的入射強(qiáng)度為I1,則漫反射光的光強(qiáng)I為：11cos(L N)(d)nnddII kI kf其中： 為表面的漫反射系數(shù)，L和N分別為入射光和反射表面法線的單位方向矢量，b是入射光線和反射表面法線方向的夾角，冪次n用了控制反射光在空間的分布，n越大

7、，漫反射光就越集中在鏡面反射光線周圍。0,N(d)2Lf下午7時17分18計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理光照模型：光照模型：考察物體表面的光的亮度（強(qiáng)度）。假設(shè)環(huán)境光的強(qiáng)度為La，點光源的強(qiáng)度為I1，所有物體都不透明，則有光照模型：用于決定物體上的一點或屏幕上一像素點處的光強(qiáng)或明暗色調(diào)。公式中的R、I、N可以由上頁公式求得。1k (L N)k (V R) f(d)nmaadsII kI明暗函數(shù)明暗函數(shù)下午7時17分19計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理計算物體表面上各點處的光強(qiáng)的關(guān)鍵計算物體表面上各點處的光強(qiáng)的關(guān)鍵：求出物體表面在這些

8、點處的法線方向N。FLAT明暗處理：平面多面體被劃分的很細(xì)，而且曲面上各點的曲率半徑都比較大。對于曲面上曲率半徑較小的區(qū)域，使得到的這些逼近小平面的光亮程度有很大的光強(qiáng)差。導(dǎo)致該區(qū)域看起來很不光滑，降低圖像的真實感。下午7時17分20計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理在表面光強(qiáng)度值進(jìn)行線性插值來繪制多邊形表面。每個多邊形的強(qiáng)度值沿著公共邊與相鄰多邊形的值相接，消除了在平面繪制中存在的光強(qiáng)度下連續(xù)的現(xiàn)象。假設(shè)物體表面的曲面部分已經(jīng)用平面多面體做了很好的逼近，平面多面體上各個頂點的位置以及每個小平面的法向量都已確定，如圖所示：GouraudGouraud的光強(qiáng)度插值法的

9、光強(qiáng)度插值法下午7時17分21計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理GouraudGouraud明暗處理明暗處理法舉例法舉例：欲求多邊形內(nèi)在掃面線Y=Y1上一點G處的光強(qiáng)度，需先找出它與邊界線的交點：E在邊AB上，F(xiàn)在邊CD上。點E作為邊AB上的一點，其光強(qiáng)為1：同理也可求出作為邊CD上的一點F處的光強(qiáng)為2：最后，把G看作EF上的點，根據(jù)F和E兩點處的光強(qiáng)求出G點處的光強(qiáng)度3：在實際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步較少計算量，我們定義4:則對同一掃面線上各像素點的光強(qiáng)計算通常采用下述的增量公式5：11EABItItI（）12FCDIwIwI（）13GEFIuIuI（）(1U)I ,4

10、uGEFEFIIuIIII (uu)I(1 uu)I5uuEFuIII u /wFD CD /uEG EF/tFD AB下午7時17分22計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理使用使用GouraudGouraud明暗處理來繪制多邊形表面時需要進(jìn)行下列計算：明暗處理來繪制多邊形表面時需要進(jìn)行下列計算：1. 確定每個多邊形頂點處的平均單位法向量2. 對于每個頂點根據(jù)點光照模型來計算其光強(qiáng)度3. 在多邊形表面上對頂點強(qiáng)度進(jìn)行線性插值頂點 處的平均法向量kPkN11mkkjjNNmj=0,1,m是所有以Pk為公共頂點的m個小平面的單位外法向量。1221121441141I (y

11、y )I (yy )1I (yy )I (yy )1I (x)I (x)aaabbssbsaabsbaIyyIyyIxxxx下午7時17分23計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理GouraudGouraud優(yōu)缺點：優(yōu)缺點： 對完全漫反射表面時效果比較理想 消除馬赫帶效應(yīng)的效果比較明顯 易于結(jié)合到消除隱藏面的掃描線消隱算法中去 對鏡面反射，會使鏡面上的高光亮區(qū)域的形狀和位置發(fā)生變化，甚至模糊不清 不能有效消除馬赫帶效應(yīng)。是指視覺的主觀感受在亮度有變化的地方出現(xiàn)虛幻的明亮或黑暗的條紋，馬赫帶效應(yīng)的出現(xiàn)是人類的視覺系統(tǒng)造成的。簡而言之，同樣的物體放在暗背景里看起來亮，放在亮

12、背景里看起來暗。下午7時17分24計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理PhongPhong的法向插值的法向插值法法：Phong的明暗處理方式也是先求出各個頂點上的平均法向量用Gouraud所采用的數(shù)學(xué)方法求出各邊界以及每一小平面內(nèi)各點的法向量根據(jù)各點的法向量用明暗模型求出各點的亮度如圖所示：下午7時17分25計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理PhongPhong優(yōu)缺點：優(yōu)缺點：優(yōu)點：在Gouraud方法上改善鏡面反射效果。缺點：設(shè)計工作量增加很多。下午7時17分26計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理總結(jié)：總結(jié)：G

13、ouraud和Phong的明暗處理方法在處理靜態(tài)畫面時可以得到很好的效果。處理動畫顯示時：當(dāng)畫面逐幀更新時，明暗變化太快。因為是對投影后的圖形而不是對原始空間中的三維物體本身的圖形進(jìn)行明暗處理。因此用這兩種方法得到的處理結(jié)果都不具備對物體旋轉(zhuǎn)的不變性。下午7時17分27計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理改進(jìn)的改進(jìn)的PhongPhong算法：算法：步驟：步驟：1. 分別對漫反射光中的LN和鏡面反射光中VR進(jìn)行插值2. 只是將亮度I換成LN或VR3. 根據(jù)Phong光照模型求出每點的亮點值優(yōu)勢：優(yōu)勢：1. 改進(jìn)的算法要比傳統(tǒng)的Phong方法效率高2. 對光源和視點不在無窮遠(yuǎn)的地方時同樣適用下午7時17分28計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計計算機(jī)圖形中真實感圖形設(shè)計-明暗處理幾種方法運(yùn)行的幾種方法運(yùn)行的時間時間：明暗處理方法運(yùn)行時間/msFlatGouraudPhong改進(jìn)的Phong16