圖形學(xué)第8章真實(shí)感圖形

第8章真實(shí)感圖(Tu)形繪制

提出問題真實(shí)感圖形繪制： 通過綜合利用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)以及心理學(xué)等知識(shí)在計(jì)算機(jī)圖形輸出設(shè)備上繪制出能夠以假亂真的美麗景象。2023/2/281第一頁，共九十八頁。8.1顏色(Se)模型(1)原理上講任何一種顏色都可以用紅、綠、藍(lán)三原色按照不同比例混合來得到。(2)真實(shí)感圖形的光照明模型，就是分別計(jì)算R、G、B三個(gè)分量的光強(qiáng)值，得到某個(gè)象素點(diǎn)上顏色值，即所謂RGB顏色模型。2023/2/282第二頁，共九十八頁。8.1.1CIE色度(Du)圖RGB模型:采用標(biāo)準(zhǔn)紅、綠、藍(lán)三種光的波長，這樣光顏色的匹配可以用式子表示為：

上式被稱為CIE-RGB系統(tǒng)，其中權(quán)值r、g、b為顏色匹配中所需要的R、G、B三色光的相對量，也就是三刺激的值。2023/2/283第三頁，共九十八頁。CIE-XYZCIE-XYZ系統(tǒng)利用三種假想的標(biāo)準(zhǔn)原色X（紅）、Y（綠）、Z（藍(lán)），得到的顏色匹配函數(shù)的三刺激值都是正值。該系統(tǒng)的光顏色匹配函數(shù)定義為如下的一個(gè)式子：用R、G、B三原色（CIE-XYZ標(biāo)準(zhǔn)原色）的單(Dan)位向量定義一個(gè)三維顏色空間，在這三維空間中，一個(gè)顏色刺激（C）就可以表示為一個(gè)以原點(diǎn)為起點(diǎn)的向量，該三維向量空間稱為（R、G、B）三刺激空間。2023/2/284第四頁，共九十八頁。

CIE色(Se)度圖

2023/2/285第五頁，共九十八頁。CIE色度(Du)圖(1)馬蹄形區(qū)域的邊界和內(nèi)部代表了所有可見光的色度值;(2)色度圖的邊界彎曲部分代表了光譜在某種純度為百分之百的色光。(3)圖中央的一點(diǎn)C表示標(biāo)準(zhǔn)白光;(4)色度圖和三刺激值是精確描述顏色的標(biāo)準(zhǔn)，但是較復(fù)雜;(5)在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，通常使用一些基于三維顏色空間的通俗易懂的顏色系統(tǒng)來描述。2023/2/286第六頁，共九十八頁。8.1.2常用的顏色(Se)模型真實(shí)感圖形學(xué)中的主要顏色模型也是RGB模型，除了RGB顏色模型，還有常見的CMY，HSV等顏色模型。彩色陰極射線管等彩色光柵圖形顯示設(shè)備中多使用RGB顏色模型。如圖8-2所示，紅、綠、藍(lán)原色為加性原色，即不同原色混合在一起可以產(chǎn)生復(fù)合色。2023/2/287第七頁，共九十八頁。redgreenbluewhiteblackyellowcyanfuchsineRGB顏色(Se)系統(tǒng)

2023/2/288第八頁，共九十八頁。CMY模(Mo)型以紅、綠、藍(lán)的補(bǔ)色，青（Cyan）、品紅（Magenta）、黃（Yellow）為原色構(gòu)成的CMY顏色模型，常用于從白光中濾去某種顏色，又被稱為減性原色系統(tǒng)，如圖8-3所示。2023/2/289第九頁，共九十八頁。CMY顏色模型對應(yīng)的直角坐標(biāo)系的子空間與RGB顏色模型所對應(yīng)的子空間幾乎完全相同。差別僅僅在于前者的原點(diǎn)為白，而后者的原點(diǎn)為黑。前者是(Shi)定義在白色中減去某種顏色來定義一種顏色，后者是通過從黑色中加入顏色來定義一種顏色。2023/2/2810第十頁，共九十八頁。

(1)光照明(Ming)模型最早于1967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。(2)1970年，Bouknight提出第一個(gè)光反射模型：Lambert漫反射＋環(huán)境光。(3)1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的思想。(4)1975年，Phong提出圖形學(xué)中第一個(gè)有影響的光照明模型，Phong光照明模型。8.2簡單光照明模型2023/2/2811第十一頁，共九十八頁。真實(shí)圖形的(De)實(shí)現(xiàn)步驟：(1)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行場景造型；(2)進(jìn)行取景變換和透視變換；(3)進(jìn)行消隱處理；(4)進(jìn)行真實(shí)感圖形繪制2023/2/2812第十二頁，共九十八頁。真實(shí)感圖形繪制過程:根據(jù)假定的光照條件和景物外觀因素，依據(jù)一(Yi)定的光照模型，計(jì)算可見面投射到觀察者眼中的光強(qiáng)度大小，并將它轉(zhuǎn)換成適合圖形設(shè)備的顏色值，生成投影畫面上每一(Yi)個(gè)象素的光強(qiáng)度，使觀察者產(chǎn)生身臨其境的感覺。2023/2/2813第十三頁，共九十八頁。

基本概念光強(qiáng)（度）：描述物體表面朝某方向輻射光的顏色，它(Ta)既能表示光能大小又能表示其色彩組成的物理量。光照模型（Illuminationmodel），也稱明暗模型，主要用于物體表面某點(diǎn)處的光強(qiáng)度計(jì)算。2023/2/2814第十四頁，共九十八頁。簡單光照模型:只考慮反射光的作用,反射光由環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光三部(Bu)分組成整體光照模型:可在平滑物體表面顯示其它物體的映像.而透過透明物體也可以看到其后的環(huán)境景象.2023/2/2815第十五頁，共九十八頁。8.2.1Lambert模(Mo)型光源類型：環(huán)境光照、方向光源和點(diǎn)光源。環(huán)境光:天空、地面、墻面；方向光源:太陽；點(diǎn)光源:可以認(rèn)為是從有限距離內(nèi)的一點(diǎn)發(fā)出的光線，如燈光等，（a）環(huán)境光照（b）方向光照（c）點(diǎn)光源2023/2/2816第十六頁，共九十八頁。環(huán)(Huan)境光2023/2/2817第十七頁，共九十八頁。方向光(Guang)源2023/2/2818第十八頁，共九十八頁。點(diǎn)光(Guang)源2023/2/2819第十九頁，共九十八頁。光照明模(Mo)型就是根據(jù)光學(xué)物理有關(guān)定律，計(jì)算景物表面任一點(diǎn)投向觀察者眼中的光亮度的大小和色彩組成。決定光亮度的主要因素包括：1）光源的性質(zhì)（幾何分類：點(diǎn)、線、面、體）；2）景物表面的材料；3）景物表面的朝向及景物與光源之間的相對位置；光照明模型就是要綜合考慮上述因素，計(jì)算投射到觀察者眼中的光強(qiáng)度大小。2023/2/2820第二十頁，共九十八頁。1.環(huán)(Huan)境光P點(diǎn)對環(huán)境光的反射強(qiáng)度為不同的物體對環(huán)境光有不同的反射屬性，記為Ka，用Ia表示環(huán)境光的強(qiáng)度，于是物體某點(diǎn)的反射光強(qiáng)度為：2023/2/2821第二十一頁，共九十八頁。對于不同的物體(Ti)，其對環(huán)境光有不同的反射屬性，其中Ia表示環(huán)境光強(qiáng)度，可假設(shè)為常數(shù)；ka表示環(huán)境光反射系數(shù)，由物體表面屬性確定，在［0，1］取值。2023/2/2822第二十二頁，共九十八頁。2漫反(Fan)射光漫反射:是物體并不光滑形成的，這種不光滑的物體叫漫反射體。特點(diǎn):漫反射光是由物體表面向各個(gè)方向等強(qiáng)度地反射而成，因而從各個(gè)視角出發(fā)，物體表面呈現(xiàn)相同的亮度，所看到的物體表面某點(diǎn)明暗程度不隨觀測者的位置變化而變化。2023/2/2823第二十三頁，共九十八頁。

由Lambert余弦定理可得點(diǎn)P處漫反射光的強(qiáng)度為：Id為點(diǎn)光源的光強(qiáng)度。Kd(0<Kd<1)表示物體表面該點(diǎn)對漫反射光的反射屬(Shu)性2023/2/2824第二十四頁，共九十八頁。當(dāng)夾角θ大于90度時(shí)，光源位于物體背面，此時(shí)應(yīng)取亮度為0；當(dāng)夾角θ為0時(shí)，光源直接照射(She)在物體表面，此時(shí)反射(She)光最強(qiáng)。若L和N都已規(guī)格化為單位矢量，則：2023/2/2825第二十五頁，共九十八頁。彩(Cai)色：有多個(gè)點(diǎn)光源：2023/2/2826第二十六頁，共九十八頁。當(dāng)同時(shí)考慮環(huán)境光及(Ji)光源效果的模型為：

考慮入射光的距離衰減效果，改進(jìn)模型為：

其中：f為光源強(qiáng)度衰減因子，與距離成反比。若考慮多個(gè)點(diǎn)光源的疊加作用，則改進(jìn)模型為：2023/2/2827第二十七頁，共九十八頁。從上述公式中可以看出，漫反射光是由物體表面向各個(gè)方向等強(qiáng)度地反射而成，因而從各個(gè)視角出發(fā)，物體表面呈現(xiàn)相同的亮度，所看到的物體表面某點(diǎn)明暗程度不隨觀測(Ce)者的位置變化而變化,如圖8-8所示。Lambert模型適用于理想漫反射物體，如：石灰墻面、羊皮紙等。但不適用于諸如金屬表面的物體，不能描述其鏡面反射效果。2023/2/2828第二十八頁，共九十八頁。8.2.2Phong光照明(Ming)模型Phone模型是考慮物體鏡面反射效果的一種“高光”模型，鏡面反射光是當(dāng)光照射到光滑表面時(shí)，會(huì)發(fā)生鏡面反射光。鏡面反射在光滑表面會(huì)產(chǎn)生一塊高光區(qū)的特亮區(qū)域。反射光與入射光滿足光的反射定律。對一般的光滑表面，反射光集中在一個(gè)范圍內(nèi)，且由反射定律決定的反射方向光強(qiáng)最大。對于同一點(diǎn)來說，從不同位置所觀察到的鏡面反射光強(qiáng)是不同的。2023/2/2829第二十九頁，共九十八頁。鏡面(Mian)反射光鏡面反射情況由Phong模型給出：圖10-4鏡面反射P點(diǎn)光源NLRV反射點(diǎn)qqa2023/2/2830第三十頁，共九十八頁。其中,KS為景物表面的鏡面反射率，IS為鏡面反射光，α為反射光與視線的夾角，n為反射指數(shù)，反映了物體表面的光澤程度，一般為1～2000，n越大物體表面越光滑。在多點(diǎn)光源照射下，并考(Kao)慮入射光的距離衰減效應(yīng)，得到改進(jìn)后的Phong模型：

若R和V已規(guī)格化為單位矢量，則：

2023/2/2831第三十一頁，共九十八頁。2023/2/2832第三十二頁，共九十八頁。

Phong模型為減少計(jì)算量，作如下假設(shè)：a)光源在無窮遠(yuǎn)處。即光線方向L為常數(shù)；b)視點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處，即視線方向V為常數(shù)；c)用(H*N)近似.這里H為L和V的平分向量，在這種簡化(Hua)下，由于對所有的點(diǎn)總共只需計(jì)算一次H的值，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。結(jié)合RGB顏色模型，Phong光照明模型最終有如下的形式：2023/2/2833第三十三頁，共九十八頁。2023/2/2834第三十四頁，共九十八頁。特點(diǎn)：1）Phong光照明模型生成圖象的真實(shí)度已經(jīng)達(dá)到可以接受的程度；2）用Phong模型顯示出的物體象塑(Su)料，沒有質(zhì)感；3）環(huán)境光是常量.沒有考慮物體之間相互的反射光；4)鏡面反射的顏色是光源的顏色,與物體的材料無關(guān)；5)鏡面反射的計(jì)算在入射角很大時(shí)會(huì)產(chǎn)生失真等。2023/2/2835第三十五頁，共九十八頁。例(Li):要求把曲面(x-120)2+Z2≤402,20≤y≤100顯示出來，其中視點(diǎn)坐標(biāo)p（120，0，100），點(diǎn)光源坐標(biāo)（120，80，100）。屏幕在Z=0平面上，坐標(biāo)系為（i，j，0）。2023/2/2836第三十六頁，共九十八頁。解:(1)為了使屏幕上每個(gè)像素點(diǎn)有一顏色，要對屏幕進(jìn)行掃描，掃描點(diǎn)T（i，j，0），希望得知其顏色。

首先，T（i，j，0）不是曲面上可見部分與點(diǎn)Z=0上的投影，于是T（i，j，0）應(yīng)當(dāng)是背景上的點(diǎn)，故應(yīng)看背景色。其次，T（i，j，0）是曲面上可見部分點(diǎn)在(Zai)Z=0平面上的投影點(diǎn)。2023/2/2837第三十七頁，共九十八頁。故T（i，j，0）應(yīng)當(dāng)看的顏色.而的顏色可以按RGB三基色顏色系統(tǒng)計(jì)算。(2)如何判斷T（i，j，0）是否是背景點(diǎn)呢？從視點(diǎn)向T（i，j，0）做一條連線(Xian)TP，TP的直線方程為：2023/2/2838第三十八頁，共九十八頁。若直線與曲線有交點(diǎn)，說明從視點(diǎn)角度看，T（i，j，0）是曲面上的一點(diǎn)，于是把直線方程(Cheng)代入曲面方程(Cheng)：(x-120)2+Z2≤402,得求解得：由于Z≥0，故這里取2023/2/2839第三十九頁，共九十八頁。因此(Ci)，當(dāng)且20≤j≤100時(shí)，點(diǎn)在曲面上，T（i，j，0）點(diǎn)要按曲面點(diǎn)顏色計(jì)算。其中其余T（i，j，0）用背景色計(jì)算。2023/2/2840第四十頁，共九十八頁。(3)當(dāng)(Dang)T（i，j，0）不是背景點(diǎn)時(shí)，計(jì)算其顏色。L是到光源Q的向量，v是到視點(diǎn)P（120,0,100）的向量視點(diǎn)坐標(biāo)p（120，0，100），點(diǎn)光源坐標(biāo)（120，80，100）2023/2/2841第四十一頁，共九十八頁。2023/2/2842第四十二頁，共九十八頁。故(Gu)的顏色（也是T（i，j，0）處顏色）為而是Ia的相應(yīng)顏色，是Id的相應(yīng)顏色，是Is的相應(yīng)顏色，以及是相應(yīng)的比例系數(shù)，由于我們這里僅顯示曲面，并不規(guī)定什么物體，故這些系數(shù)有用戶直接指定，2023/2/2843第四十三頁，共九十八頁。圖按簡單光(Guang)照模型顯示的曲面2023/2/2844第四十四頁，共九十八頁。8.3增量式光照明模型

Phong光照明模型的問題:光源和視點(diǎn)都被假定為無窮遠(yuǎn)，則光強(qiáng)計(jì)算是物體(Ti)表面法向量的函數(shù)，故多邊形內(nèi)部的象素的顏色都是相同的.不同法向的多邊形鄰接處，有光強(qiáng)突變會(huì)產(chǎn)生馬赫帶效應(yīng)，(人類視覺系統(tǒng)夸大具有不同常量光強(qiáng)的兩個(gè)相鄰區(qū)域之間的光強(qiáng)不連續(xù)性)。

解決方法:為了保證多邊形之間的光滑過渡，使連續(xù)的多邊形呈現(xiàn)勻稱的光強(qiáng)，可采用增量式光照明模型。2023/2/2845第四十五頁，共九十八頁。2023/2/2846第四十六頁，共九十八頁。模型的基本思想:在每一個(gè)多邊形的頂點(diǎn)處計(jì)算合適的光照明強(qiáng)度(Du)或參數(shù)，然后在各個(gè)多邊形內(nèi)部進(jìn)行均勻插值，得到多邊形的光滑顏色分布。它包含兩個(gè)主要的算法:雙線性光強(qiáng)插值和雙線性法向插值，又被分別稱為Gouraud明暗處理和Phong明暗處理。2023/2/2847第四十七頁，共九十八頁。1．雙線性(Xing)光強(qiáng)插值、Gouraud明暗處理

雙線性光強(qiáng)插值是由Gouraud于1971年提出的，又被稱為Gouraud明暗處理，它先計(jì)算物體表面多邊形各頂點(diǎn)的光強(qiáng)，然后用雙線性插值，求出多邊形內(nèi)部區(qū)域中各點(diǎn)的光強(qiáng)。2023/2/2848第四十八頁，共九十八頁。它的基本算法描述如下:a)計(jì)算多(Duo)邊形頂點(diǎn)的平均法向,b)用Phong光照明模型計(jì)算頂點(diǎn)的平均光強(qiáng),c)插值計(jì)算離散邊上的各點(diǎn)光強(qiáng)d)插值計(jì)算多邊形內(nèi)域中各點(diǎn)的光強(qiáng)。2023/2/2849第四十九頁，共九十八頁。頂點(diǎn)法向計(jì)算

用與頂點(diǎn)相鄰的所有多邊形的法向的平均值近似作為該頂點(diǎn)的近似法向量。假設(shè)頂點(diǎn)A相鄰的多邊形有k個(gè)，法向分別為.取頂點(diǎn)A的法向?yàn)?/p>

在一般情況下，用相鄰多邊形的平均法向作為頂點(diǎn)的法向，與該多邊形物體近似的曲面的切平面比較接近。

2023/2/2850第五十頁，共九十八頁。頂點(diǎn)平均光強(qiáng)計(jì)算(Suan)

在求出頂點(diǎn)A的法向Na后，可以用Phong光照明模型計(jì)算在頂點(diǎn)處的光亮度。光強(qiáng)插值

算法首先由頂點(diǎn)的光強(qiáng)插值計(jì)算各邊的光強(qiáng)，然后由各邊的光強(qiáng)插值計(jì)算出多邊形內(nèi)部點(diǎn)的光強(qiáng)2023/2/2851第五十一頁，共九十八頁。2023/2/2852第五十二頁，共九十八頁。雙(Shuang)線性光強(qiáng)插值的公式如下：2023/2/2853第五十三頁，共九十八頁。如果我們采用增量算法，當(dāng)掃描線ys由j變成j+1時(shí)，新掃描線上的點(diǎn)

和

的光強(qiáng)，可以由前一條掃描線與邊的交點(diǎn)的光強(qiáng)作一次加法得到：2023/2/2854第五十四頁，共九十八頁。由于在一條掃描線內(nèi)部，橫坐標(biāo)xs由xa到xb遞增，當(dāng)xs由i增為i+1時(shí)，多邊形內(nèi)的點(diǎn)（i+1，ys）的光強(qiáng)可以由同一掃描行左(Zuo)側(cè)的點(diǎn)（i，ys）的光強(qiáng)作一次加法得到，即：

2023/2/2855第五十五頁，共九十八頁。2023/2/2856第五十六頁，共九十八頁。2023/2/2857第五十七頁，共九十八頁。2023/2/2858第五十八頁，共九十八頁。2023/2/2859第五十九頁，共九十八頁。2023/2/2860第六十頁，共九十八頁。2023/2/2861第六十一頁，共九十八頁。2023/2/2862第六十二頁，共九十八頁。8.4產(chǎn)(Chan)生陰影

從理論上來說，從視點(diǎn)以及從光源看過去都是可見的面不會(huì)落在陰影中，只有那些從視點(diǎn)看過去是可見的，而從光源看過去是不可見的面，肯定落在陰影之內(nèi)。2023/2/2863第六十三頁，共九十八頁。

陰影多邊形光強(qiáng)計(jì)算

對于物體表面的多邊形，如果在陰影區(qū)域內(nèi)部，那(Na)么該多邊形的光強(qiáng)就只有環(huán)境光那(Na)一項(xiàng)，后面的那(Na)幾項(xiàng)光強(qiáng)都為零，否則就用正常的模型計(jì)算光強(qiáng)。2023/2/2864第六十四頁，共九十八頁。2023/2/2865第六十五頁，共九十八頁。圖8-15無陰影圖形與(Yu)有陰影圖形2023/2/2866第六十六頁，共九十八頁。圖形效果無陰影的物體似乎浮在場(Chang)景之上，陰影則增加了場(Chang)景的真實(shí)感。陰影使場(Chang)景給人以想象的空間并給出了景物的深度信息。同時(shí)，陰影給定了光源與物體在場(Chang)景中相對位置的信息。2023/2/2867第六十七頁，共九十八頁。概念（1）本影：景物表面上那些沒有被(Bei)光源直接照射的部分。（2）半影：景物表面上那些被某些光源直接照射但并非被所有光源直接照射的部分。2023/2/2868第六十八頁，共九十八頁。僅考慮陰影的本影部分。計(jì)算(Suan)陰影：從陰影的產(chǎn)生原因上看，有陰影區(qū)域的物體表面都無法看見光源，只要把光源作為觀察點(diǎn)，那么在前面介紹的任何一種隱藏面消除算法可以用來生成陰影區(qū)域。2023/2/2869第六十九頁，共九十八頁。2023/2/2870第七十頁，共九十八頁。2023/2/2871第七十一頁，共九十八頁。8.5整體光照模型

簡單光照明模型:只考慮了漫反射現(xiàn)象和鏡面反射現(xiàn)象，而對于光的透射現(xiàn)象都沒有處理.

Whitted模型:考慮了漫透射和規(guī)則透射光。

透射光:對于透明或半透明的物體，在(Zai)光線與物體表面相交時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生反射與折射，經(jīng)折射后的光線將穿過物體而在(Zai)物體的另一個(gè)面射出，形成透射光。如果視點(diǎn)在(Zai)折射光線的方向上，就可以看到透射光。

2023/2/2872第七十二頁，共九十八頁。2023/2/2873第七十三頁，共九十八頁。1透明效果的簡單模擬

現(xiàn)實(shí)世界中有許多透明物體，如玻璃等。透過透明物體，可以觀察到其后面的景物。如何模擬這種(Zhong)透明效果呢？

最簡單方法:是忽略光線在穿過透明體時(shí)所發(fā)生的折射。雖然這種模擬方法產(chǎn)生的結(jié)果不真實(shí)，但在許多場合往往非常有用。

例如：我們有時(shí)希望能夠看到透過某透明物體觀察其后面的景物，而又不希望景物因?yàn)檎凵涠l(fā)生變形。2023/2/2874第七十四頁，共九十八頁。

簡單模型

采用顏色調(diào)和法，該方法不考慮透明體對光的折射以及透明物體本身的厚度，光通過物體表面是不會(huì)改變方向的，故可以模擬平面玻璃。前面介紹的隱藏面消除算法都可以用于實(shí)現(xiàn)模擬這種(Zhong)情況。產(chǎn)生簡單透明效果的方法插值透明方法過濾透明方法2023/2/2875第七十五頁，共九十八頁。2023/2/2876第七十六頁，共九十八頁。算法：設(shè)t是物體的透明度,t=0表示物體是不透明體；t=1表示物體是完全透體。最終所看到的顏色，是物體表面的顏色和透過物體的背景顏色的疊加。

插值透明

設(shè)過象素點(diǎn)(x,y)的視線與物體相交處的顏色(或光強(qiáng))為Ia，視線穿過物體與另一物體相交處的顏色(或光強(qiáng))為Ib,則象素點(diǎn)(x,y)的顏色(或光強(qiáng))可由如下(Xia)顏色調(diào)和公式計(jì)算2023/2/2877第七十七頁，共九十八頁。

Ia和Ib可由簡單光照明模(Mo)型計(jì)算。由于未考慮透射光的折射，以及透明物體的厚度，顏色調(diào)和法只能模(Mo)擬玻璃的透明或半透明效果。