大三05計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-shading i

ShadingI

明暗處理I

原著EdAngelProfessorofComputerScience,ElectricalandComputerEngineering,andMediaArtsUniversityofNewMexico編輯武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院圖形學(xué)課程組Objectives簡(jiǎn)單介紹各種使多邊形網(wǎng)格看起來(lái)真實(shí)的方法Learntoshadeobjectssotheirimagesappearthree-dimensional學(xué)會(huì)對(duì)模型進(jìn)行明暗處理從而使圖像具有三維效果Introducethetypesoflight-materialinteractions介紹光源與材料的交互作用Buildasimplereflectionmodel---thePhongmodel---thatcanbeusedwithrealtimegraphicshardware建立簡(jiǎn)單的光照模型—Phong模型，其可以應(yīng)用到實(shí)時(shí)圖形硬件中Outline多邊形網(wǎng)格看起來(lái)真實(shí)感方法6.1LightandMatter光線與材質(zhì)6.2LightSources光源6.3PhongModelPhong光照模型多邊形網(wǎng)格模型正如在第4.5節(jié)所述，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的模型通常是由多邊形網(wǎng)格構(gòu)成的右圖以線框形式顯示一個(gè)場(chǎng)景，由540個(gè)立方體組成隱藏面消除使多邊形網(wǎng)格顯得真實(shí)的第一種方法是隱藏面消除。該算法在第五、七章中介紹右圖顯示的是前一頁(yè)場(chǎng)景經(jīng)隱藏面消除后的結(jié)果但結(jié)果仍然顯得平坦模擬光照在隱藏面消除后，為了使對(duì)象看起來(lái)更真實(shí)，應(yīng)當(dāng)模擬光照在物體的狀態(tài)，即應(yīng)當(dāng)通過(guò)計(jì)算確定表示對(duì)象的像素的適當(dāng)狀態(tài)在這種計(jì)算中應(yīng)充分根據(jù)對(duì)象表面的狀態(tài)，光源的位置以及視點(diǎn)的位置需要計(jì)算每幀圖像中各個(gè)像素的顏色亮度，而不是由用戶直接指定示例光滑明暗處理如果多邊形網(wǎng)格表示的對(duì)象為光滑對(duì)象，那么顯示的結(jié)果應(yīng)當(dāng)反映這種光滑性在計(jì)算了每個(gè)頂點(diǎn)處的亮度后，應(yīng)用線性插值計(jì)算出內(nèi)部的亮度－－稱為Gouraud明暗處理算法鏡面光為了得到更真實(shí)的效果，可以加入鏡面光的效果陰影在加入陰影后，可以進(jìn)一步提高圖像的真實(shí)感紋理映射在對(duì)象表面上加上紋理效果，會(huì)使圖像的真實(shí)感增強(qiáng)一大步其它增加真實(shí)感的方法光線跟蹤計(jì)算復(fù)雜容易實(shí)現(xiàn)，生成的圖形中正確地反映陰影、鏡面反射以及透明的效果輻射度方法研究生課程，《計(jì)算機(jī)真實(shí)感圖形的算法基礎(chǔ)》，科學(xué)出版社，彭群生、鮑虎軍、金小剛。6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

（Whyweneedshading為什么需要明暗處理?）SupposewebuildamodelofasphereusingmanypolygonsandcoloritwithglColor.Wegetsomethinglike假設(shè)應(yīng)用多邊形網(wǎng)格建立了球面的模型，其顏色采用glColor定義，那么得到的結(jié)果為Butwewant而我們希望結(jié)果為6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

（Shading明暗處理-1）Whydoestheimageofarealspherelooklike為何實(shí)際中球的圖像應(yīng)當(dāng)類似于Light-materialinteractionscauseeachpointtohaveadifferentcolororshade光源與材料的交互作用導(dǎo)致每點(diǎn)有不同的顏色或者明暗效果Needtoconsider這時(shí)需要考慮Lightsources光源Materialproperties材料屬性Locationofviewer觀察者位置Surfaceorientation曲面定向6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

（Shading明暗處理-2）6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(Scattering散射)LightstrikesA光照射到A點(diǎn)Somescattered有些被反射Someabsorbed有些被吸收SomeofscatteredlightstrikesB反射光中有些射到B點(diǎn)Somescattered有些被反射Someabsorbed有些被吸收SomeofthisscatteredlightstrikesA反射光中又有些射到A點(diǎn)，…… andsoonFig.6.1Reflectingsurfaces6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(RenderingEquation光照方程)Theinfinitescatteringandabsorptionoflightcanbedescribedbytherenderingequation光的無(wú)窮次反射和吸收過(guò)程可以用光照方程(renderingequation)描述Cannot

be

solvedingeneral一般是無(wú)法求解的，即使應(yīng)用數(shù)值方法也是非常復(fù)雜的Raytracingisaspecialcaseforperfectlyreflectingsurfaces光線跟蹤只適用于完全反射曲面這一特殊情形的Renderingequationisglobalandincludes光照方程是全局的，并且包含Shadows陰影Multiplescatteringfromobjecttoobject對(duì)象間的多次反射6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(GlobalEffects全局效果)translucentsurface透明表面shadow陰影multiplereflection多重反射6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(LocalvsGlobalRendering局部與全局光照)Correctshadingrequiresaglobalcalculationinvolvingallobjectsandlightsources正確的明暗處理需要全局計(jì)算，即包含了所有的對(duì)象和光源patiblewithpipelinemodelwhichshadeseachpolygonindependently(localrendering)這與流水線模型不兼容，在這個(gè)體系中對(duì)每個(gè)多邊形單獨(dú)進(jìn)行明暗處理（局部光照）However,incomputergraphics,especiallyrealtimegraphics,wearehappyifthings“l(fā)ookright”然而在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，特別是在實(shí)時(shí)圖形應(yīng)用中，如果所得結(jié)果看起來(lái)可以的話，這種局部計(jì)算是可以接受的Existmanytechniquesforapproximatingglobaleffects存在許多方法逼近全局效果6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(Light-MaterialInteraction光線與材料的相互作用)Lightthatstrikesanobjectispartiallyabsorbedandpartiallyscattered(reflected)照射在對(duì)象上的光線部分被吸收，部分被反射如果對(duì)象是透明的，有些光被折射Theamountreflecteddeterminesthecolorandbrightnessoftheobject反射部分的多少確定對(duì)象的顏色與亮度Asurfaceappearsredunderwhitelightbecausetheredcomponentofthelightisreflectedandtherestisabsorbed對(duì)象表面在白光上看起來(lái)是紅的，就是因?yàn)楣饩€中的紅色分量被反射，而其它分量被吸收Thereflectedlightisscatteredinamannerthatdependsonthesmoothnessandorientationofthesurface反射光被反射的方式是由表面的光滑程度和定向確定的6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(SurfaceTypes物體表面性質(zhì))鏡面(specularsurfaces)Thesmootherasurface,themorereflectedlightisconcentratedinthedirectionaperfectmirrorwouldreflectedthelight漫反射面(diffusesurfaces)Averyroughsurfacescatterslightinalldirections半透明面(translucentsurfaces)Toallowsomelighttopenetratethesurface6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(Specularsurfaces鏡面)表面顯得明亮，因?yàn)榻^大多數(shù)光集中在嚴(yán)格鏡面反射方向的周圍鏡子是理想的鏡面模型入射光除部分被吸收外，全部以單一角度反射smoothsurface6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(Diffusesurfaces漫反射面)特征是反射光線散射到各個(gè)方向例如：涂有粗糙或無(wú)光涂料的墻面理想漫反射面：把光線均勻散射到各個(gè)方向roughsurface6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(Translucentsurfaces半透明面)有些光可以進(jìn)入表面，從對(duì)象的另一處出來(lái)例如：玻璃與水中的折射這時(shí)也會(huì)有部分光被表面反射6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(三種情形的表面)在三維場(chǎng)景中的每個(gè)對(duì)象的表面可以是上述三種情形中的任一種，也可以是其中兩種或三種的綜合每種情形所占的比例由對(duì)象表面的性態(tài)確定6.2LightSources光源

(光源的描述)光線從光源表面離開(kāi)的方式有兩種自發(fā)射反射在表面上任一點(diǎn)(x,y,z)所發(fā)出的光可以用θ,φ兩個(gè)方位角表示以及每個(gè)波長(zhǎng)λ的強(qiáng)度確定光源模型：光照函數(shù)有六個(gè)變量I(x,y,z,θ,φ,λ)Fig.6.5Lightsource6.2LightSources光源Generallightsourcesaredifficulttoworkwithbecausewemustintegratelightcomingfromallpointsonthesource一般的光源是很難處理的，因?yàn)槲覀冃枰獙?duì)于在光源面上的所有點(diǎn)進(jìn)行光強(qiáng)積分

Fig.6.6Addingthecontributionfromasource6.2.1Colorsources光源的顏色光源不但發(fā)射出不同量的不同頻率的光，而且它們的方向?qū)傩噪S著頻率也可能不同真正的物理模型將非常復(fù)雜人的視覺(jué)系統(tǒng)是基于三原色理論的在大多數(shù)應(yīng)用中，可以用三種成分—紅、綠、藍(lán)—的強(qiáng)度表示光源光亮度(luminance)函數(shù)為L(zhǎng)=[Lr,Lg,Lb]SimpleLightSources簡(jiǎn)單光源類型Pointsource點(diǎn)光源ModelwithpositionandcolorDistantLightSource遠(yuǎn)光源Distantsource=infinitedistanceaway(parallel)Spotlight聚光燈RestrictlightfromidealpointsourceAmbientlight環(huán)境光SameamountoflighteverywhereinsceneCanmodelcontributionofmanysourcesandreflectingsurfaces6.2.2AmbientLight環(huán)境光模擬均勻光照：在場(chǎng)景中每個(gè)點(diǎn)都具有相同的亮度嚴(yán)格意義上說(shuō)，環(huán)境光也是來(lái)自于某個(gè)光源，但由于在光照計(jì)算中進(jìn)行了某些簡(jiǎn)化，需要用環(huán)境光來(lái)模擬多次反射后的效果環(huán)境光亮度是由La=[Lar,Lag,Lab]確定的，在每點(diǎn)的值完全相同各個(gè)表面對(duì)環(huán)境光的反射是不同的6.2.3PointSource點(diǎn)光源由位置和顏色表示理想的點(diǎn)光源向各個(gè)方向發(fā)射光點(diǎn)光源的亮度函數(shù)L(p0)=[Lr(p0),Lg(p0),Lb(p0)]在點(diǎn)p接受的光強(qiáng)反比于光源與點(diǎn)的距離平方6.2.3PointSource點(diǎn)光源

(點(diǎn)光源的應(yīng)用)在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中大量應(yīng)用點(diǎn)光源，是因?yàn)樗子谑褂玫荒芎芎玫胤从澄锢憩F(xiàn)實(shí)只有點(diǎn)光源的場(chǎng)景得到的圖像中對(duì)比度比較高；對(duì)象顯得要么很亮，要么很暗而真實(shí)的光源由于尺寸較大，因此場(chǎng)景的結(jié)果比較柔和6.2.3PointSource點(diǎn)光源

(真實(shí)光照)Asourceoffinitesize有限大小的光源可以在點(diǎn)光源中加入環(huán)境光降低高對(duì)比度(highcontrast)的問(wèn)題，形成柔和(softerscenes)

的場(chǎng)景完全在陰影中的區(qū)域稱為本影(umbra)部分在陰影中的區(qū)域稱為半影(penumbra)6.2.4spotlight聚光燈具有一個(gè)比較的窄的照明范圍，通常為圓錐形半無(wú)窮區(qū)域可以給點(diǎn)光源加上一定的限制得到 錐的頂點(diǎn)在ps,而中心軸方向?yàn)閘s如果θ=180°,聚光燈成為點(diǎn)光源θ6.2.4spotlight聚光燈

(Morerealisticspotlights更真實(shí)的聚光燈)光亮度在照明錐內(nèi)具有一定的分布通常絕大多數(shù)光集中在照明錐的中心軸附近照明強(qiáng)度是光源到表面上某點(diǎn)向量s與中心軸夾角φ的函數(shù)6.2.4spotlight聚光燈

(聚光燈的照明強(qiáng)度函數(shù))可以采用各種方式定義強(qiáng)度函數(shù)通常定義為coseφ指數(shù)e確定光強(qiáng)度衰減的快慢之所以采用余弦函數(shù)，是因?yàn)樵谶@種情況下，非常容易計(jì)算出來(lái)它的值：向量點(diǎn)乘法運(yùn)算cosφ=s?l-θθφ6.2.5DistantLightSource遠(yuǎn)光源在光照計(jì)算中需要計(jì)算從光源到當(dāng)前點(diǎn)的向量入射方向?yàn)樯鲜鱿蛄康南喾聪蛄浚倚枰獑挝换绻庠丛跓o(wú)窮遠(yuǎn)，該向量為常數(shù)光線為平行線，方向不變太陽(yáng)光是無(wú)窮遠(yuǎn)光源的典型代表6.3PhongModelPhong光照模型AsimplemodelthatcanbecomputedrapidlyHasthreecomponents三類分量Diffuse漫反射光Specular鏡面反射光Ambient環(huán)境光Usesfourvectors四個(gè)向量

Tosource光源方向IToviewer視點(diǎn)方向vNormal法向nPerfectreflector理想反射方向r6.3PhongModelPhong光照模型

(光源模型)Phong模型假設(shè)點(diǎn)光源的三原色都有各自的環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光用局部光照模型去模擬本質(zhì)上全局的光照效果需要9個(gè)系數(shù)來(lái)描述光源在表面上點(diǎn)p處的光照屬性，即入射光屬性：Lar,Lag,Lab,Ldr,Ldg,Ldb,Lsr,Lsg,Lsb這里沒(méi)考慮距離衰減因素，最后考慮6.3PhongModelPhong光照模型

(反射系數(shù))光照模型的前提是已知某點(diǎn)的入射光，通過(guò)某種方法求得在該點(diǎn)的反射光光源的漫反射項(xiàng)中紅光分量為L(zhǎng)dr，點(diǎn)p的反射率為Rdr，則光源在該點(diǎn)光強(qiáng)的貢獻(xiàn)值為RdrLdrRdr與材料屬性、表面朝向、光源方向以及光源與觀察者距離有關(guān)9個(gè)反射系數(shù)6.3PhongModelPhong光照模型

(IdealReflector理想反射)Normalisdeterminedbylocalorientation法向由局部定向確定Angleofincidence=angleofrefection入射角=反射角Thethreevectorsmustbecoplanar三個(gè)向量l,n,r必須共面r=2(l

·n)n–lSection6.4.26.3.2DiffuseReflection漫反射

(LambertianSurfaceLambertian表面-1)Perfectlydiffusereflector全漫反射模擬粗糙表面Lightscatteredequallyinalldirections光向各個(gè)方向均勻地反射6.3.2DiffuseReflection漫反射

(LambertianSurfaceLambertian表面-2)Amountoflightreflectedisproportionaltotheverticalcomponentofinglight反射光的比例正比于入射光的豎直分量reflectedlight反射光~cosφcosφ=l·nifvectorsnormalized如果向量為單位向量用向量點(diǎn)乘計(jì)算Therearealsothreecoefficients,kdr,kdg,kdbthatshowhowmuchofeachcolorcomponentisreflected存在三個(gè)系數(shù)kdr,kdg,kdb分別相應(yīng)于每種顏色的光反射的比例對(duì)每種光，反射光強(qiáng)Id=kd(l?n)Ld(l?n)常采用max(l?n,0)的形式6.3.2DiffuseReflection漫反射

(特點(diǎn))粗糙表面之所以可見(jiàn)，主要是來(lái)自于表面的漫反射基于簡(jiǎn)單Lambertian漫反射模型所生成的對(duì)象圖形顯得比較暗淡因?yàn)榇藭r(shí)相當(dāng)于假定在視點(diǎn)處有一個(gè)點(diǎn)光源，那些光源無(wú)法直接照到的地方顯得較黑在真實(shí)的場(chǎng)景中，對(duì)象也接受到其它對(duì)象反射過(guò)來(lái)的光6.3.2DiffuseReflection漫反射

(漫反射參數(shù)的影響)漫反射系數(shù)依次為0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0光強(qiáng)為1.0,背景光強(qiáng)為0.46.3.3SpecularReflection鏡面反射

(SpecularSurfaces鏡面)Mostsurfacesareneitheridealdiffusersnorperfectlyspecular(idealreflectors)大多數(shù)曲面既不是理想的漫反射型曲面，也不是真正的鏡面(理想反射)Smoothsurfacesshowspecularhighlightsduetoinglightbeingreflectedindirectionsconcentratedclosetothedirectionofaperfectreflection光滑表面之所以顯出鏡面高光，是因?yàn)槿肷涔獗环瓷浜?，絕大多數(shù)集中在理想反射方向周圍Specularhighlight鏡面高光6.3.3SpecularReflection鏡面反射

(ModelingSpecularRefections鏡面反射模型)PhongproposedusingatermthatdroppedoffastheanglebetweentheviewerandtheidealreflectionincreasedfIr~ksLscosaφshininesscoefficient光潔度系數(shù)(高光系數(shù))reflectedcoefficient反射系數(shù)ingintensity入射光強(qiáng)reflectedintensity反射光強(qiáng)n:法向量l:入射光方向r:理想反射方向v:視點(diǎn)方向φ:r與v的夾角6.3.3SpecularReflection鏡面反射

(TheShininessCoefficient光潔度系數(shù)(高光系數(shù)))Valuesofabetween100and200correspondtometals如果α的值介于100到200之間，那么對(duì)應(yīng)于金屬材料Valuesbetween5and10givesurfacethatlooklikeplastic如果α的值介于5到10之間，材料類似于塑料α趨向無(wú)窮大時(shí)，鏡子cosa

ff90-906.3.3SpecularReflection鏡面反射

(鏡面反射參數(shù)的影響)6.3.1AmbientLightReflection環(huán)境光反射Ambientlightistheresultofmultipleinteractionsbetween(large)lightsourcesandtheobjectsintheenvironment環(huán)境光是由于在場(chǎng)景中（大的）光源與對(duì)象間的多次相互作用而導(dǎo)致的Amountandcolordependonboththecolorofthelight(s)andthematerialpropertiesoftheobject環(huán)境光的量與顏色依賴于光源的顏色和對(duì)象的材料屬性AddkaIatodiffuseandspecularterms向漫反射和鏡面反射項(xiàng)中添加上kaLa項(xiàng)ka:reflectioncoef反射系數(shù)La:intensityofambientlight環(huán)境光強(qiáng)6.3.1AmbientLightReflection環(huán)境光反射

(環(huán)境光的影響)向漫反射光中加入不同的環(huán)境光的效果兩種光強(qiáng)都是1.0,漫反射系數(shù)為0.04環(huán)境光反射系數(shù)依次為0.0,0.1,0.3,0.5,0.76.3PhongModelPhong光照模型(DistanceTerms距離項(xiàng))Thelightfromapointsourcethatreachesasurfaceisinverselyproportionaltothesquareofthedistancebetweenthem從點(diǎn)光源到達(dá)對(duì)象表面的光強(qiáng)反比于兩者之間距離的平方Wecanaddafactoroftheform1/(ad+bd+cd2)tothediffuseandspecularterms向漫反射項(xiàng)和鏡面項(xiàng)中添加形式為1/(a+bd+cd2)的因子，其中d表示距離Theconstantandlineartermssoftentheeffectofthepointsource常數(shù)與線性項(xiàng)柔和點(diǎn)光源的效果6.3Pho