真實感圖形顯示光照模型1.ppt

1、計算機(jī)圖形學(xué)講義第4章 真實感圖形顯示,黃可坤 嘉應(yīng)學(xué)院, 光照模型,1 光源特性和物體表面特性,一：光源特性 1：光的色彩 （R、G、B ） 2：光的強(qiáng)度:由R，G，B三種色光的強(qiáng)弱決定： Total=0.30*R+0.59*G+0.11*B 3：光的方向： 點光源 分布式光源 漫射光源,二、物體表面特性, 反射系數(shù) 由物體表面的材料和形狀決定，分為漫反射(Diffuse Reflection)系數(shù)Rd和鏡面反射(Specular Reflection)系數(shù)W(i)。 透射系數(shù) 記為Tp，描述物體透射光線的能力，且有0Tp1。 表面方向,2 光照模型及其實現(xiàn),光照模型(Illuminatio

2、n Model)描述物體表面的色彩明暗同光源特性、物體表面特性之間的關(guān)系。 光照模型分3個部分描述這種關(guān)系，即漫射光線的情況、直線光線的情況和透射光線的情況。,一、漫射光線的情況 漫射光源是從四面八方均勻照來的，物體表面的色彩明暗與表面的形狀無關(guān)，僅與表面的反射系數(shù)有關(guān) 。 漫射光源照明的模型為 EPd = RPId 上式可以寫為 EPd-r=RP-rId-r，EPd-g=RP-gId-g，EPd-b=RP-bId-b,二、直射光線的情況 在這種情況下，物體表面的明暗隨表面法矢量和入射光線Is的夾角I的改變而變化。此時，物體表面會發(fā)生兩類反射，即漫反射和鏡面反射。,EPs=RPcos iIPs

3、+WP(i)cosn sIPs,Eps： 視點觀察P點時的光強(qiáng). RP： P點的漫反射系數(shù). I： P點的法矢量N與入射光方向L的夾角. IPs：入射的直射光線的強(qiáng)度. WP(i)：P點的鏡面反射系數(shù)(入射角i的函數(shù)) .,W(i)與i的關(guān)系,WP(i)是P點的鏡面反射系數(shù)(入射角i的函數(shù))。由于W(i)的計算比較復(fù)雜，實際中常用一個常數(shù)W代替。,EPs=RPcos iIPs+WP(i)cosn sIPs,n控制高光的聚散，它和P點的材料有關(guān)。對于光滑發(fā)亮的金屬表面，n值取得大，從而產(chǎn)生會聚的高光點.,n與高光區(qū)域大小的關(guān)系,EPs=RPcos iIPs+WP(i)cosn sIPs,三、透射

4、光線的情況 透射模型如下： EPt = TPIPb 其中： Ept：物體表面P點處透射出的光強(qiáng). TP：P點的透射系數(shù)(取值范圍為01). Ipb：到達(dá)P點背后的光強(qiáng)。,將上述3種情況綜合起來，便獲得物體表面P點處所發(fā)光強(qiáng)EP的計算公式： EP=EPd+EPs+EPt = RPId+(RPcos i+WPcosn s)IPs+TPIpb 上式中只有cos i和cos s的值是未知的。,一般情況平面法向N可根據(jù)平面方程計算出來，光的入射方向L已給定 。,視線方向V已給定，剩下的光的反射方向R需要計算。,求R的方法,根據(jù)反射定律，入射光、表面法線和反射擊光必在同一平面上，而且入射角和反射角相等。因

5、此： 先作一變換T，使得坐標(biāo)原點移至物體表面的P點，z軸指向P點的法線方向。 在新的坐標(biāo)系下，入射矢量和反射矢量的z分量相等；x、y分量大小相等、方向相反，所以R=(Rx,Ry,Rz)可以由入射量L決定： Rx= -Lx; Ry= -Ly; Rz=Lx。 作一逆變換T-1，即可求原坐標(biāo)系中的R之方向。 這個方法運算簡單，但物體表面上每點的法線方向隨物體形狀變化而變化，所以每點都要進(jìn)行新的變換T。,Phong方法求R,先作一變換T，使得坐標(biāo)原點移至物體表面的P點，z軸指向光線入射方向L的反方向。 在新的坐標(biāo)系下，求出反射方向R與該點的法方向N的關(guān)系： Rz=2Nz2-1; Ry=2NzNy; R

6、x=2*NxNz; 作一逆變換T-1，即可求原坐標(biāo)系中的R之方向。 特點：坐標(biāo)變換要求z軸與光照方向平行。在分布式平行光線照射下，從物體表面的一點移向另一點時，坐標(biāo)變換僅需積累平移，不必重新旋轉(zhuǎn)，這樣就大大減少了計算量。因此Phong方法的效率較高。,計算實例,有一正方體其8個頂點ABCDABCD的坐標(biāo)依次為：200,200,100, 200,300,100, 300,300,100, 300,200,100, 200,200,0, 200,300,0, 300,300,0,300,200,0，有一平行光源L的光照方向為(0,-1,-1)，視線方向V為(0,-1,-1)，正方體表面的漫反射系數(shù)

7、R=0.1，鏡面反射系數(shù)W=0.5，光源強(qiáng)度I=1。用Phong方法計算反射方向R，并用直線光線模型計算沿視線方向V所看到的P(250,250,100)這一點的光強(qiáng)。,EPs=RPcos iIPs+WP(i)cos sIPs,可知P點的法線方向為N=(0,0,1)。 把z軸旋轉(zhuǎn)到(0,1,1)，公式如下：,反射方向的計算,若|L|=|R|=|n|=1，則有：,作業(yè),有一正方體其8個頂點ABCDABCD的坐標(biāo)依次為：200,200,100, 200,300,100, 300,300,100, 300,200,100, 200,200,0, 200,300,0, 300,300,0,300,200,0，有一平行光源L的光照方向為(0,-1,-1)，視線方向V為(0,0,-1)，正方體表面的漫反射系