1、真实感图形的生成技术,光照技术 物体表面细节的模拟 阴影的生成,光照技术,图 (a) 经过光照计算的球 (b) 不经过光照计算的球,单纯判别物体表面的可见性，远远不能反映物体表面的真实感。,物体表面所呈现的颜色是由表面向视线方向辐射进入人眼中光决定的。建立数学模型模拟物体表面的光照明物理现象，按照数学模型计算物体表面向视线方向辐射进入人眼中的光亮度，即可获得像素所对应的物体上的可见点的颜色，这样绘制出来的图形具有较强的真实感，如图(a)。这些数学模型就称为明暗效应模型或者光照明模型。,当光照射到物体表面时，光可能被吸收、反射和透射，被物体吸收的部分转化为热，只有反射、透射的光能够进入人眼产生视
2、觉效果，它们决定了物体所呈现的颜色。如果物体是不透明的，则透射光不存在，物体的颜色仅由反射光决定。这种情形正是简单光照模型需要考虑的，简单光照模型只考察光源直接照射下物体表面的反射情况。,颜色理论基础,光学反射模型,通常物体表面的反射光可以认为包含三个分量：对环境光的反射、对特定光源的漫反射和镜面反射。,环境光的反射：环境光(ambient light)来自周围环境(如墙面)散射的光，在空间近似均匀分布，入射至物体表面后向空间各个方向均匀反射出去。物体对环境光的反射分量表示：,其中Ia是入射的环境光亮度，Ka是环境光漫反射系数，它与物体表面性质有关。如果简单光照模型中仅考虑环境光的反射分量，则
3、物体表面的亮度是一个恒定值，没有明暗的自然过渡。,漫反射(diffuse reflection)：漫反射分量表示特定光源在物体表面的反射光中那些向空间各个方向均匀反射出去的光。兰伯特(Lambert)余弦定律指出：当点光源照射到一个漫反射体时，其表面反射光亮度和光源入射角(入射光线和表面法矢量的夹角)的余弦成正比，即,其中Il是来自点光源的入射光亮度。Kd是漫反射系数，与物体表面性质有关。 是入射光线和表面法矢量的夹角。,兰伯特反射光照模型,只考虑对环境光的反射分量和对特定光源的漫反射分量，则物体表面的反射光亮度为 ：,适用于粗糙、无光泽的物体，如粉笔、黑板。对于擦亮的金属、光滑的塑料等光亮物
4、体需要计算镜面反射。,镜面反射(specular reflection)：表示特定光源在物体表面的反射光中那些遵循反射定律的光。对于纯镜面，反射光和入射光对称地分布在表面法向的两侧。对于一般光滑表面，表面可理解为由许多朝向不同的微小平面构成，入射光经许多微小平面反射后形成的反射光不再是单向的，而是分布于理想镜面反射方向的周围。通常采用余弦函数的幂次来模拟一般光滑表面的镜面反射光的空间分布。,Il是入射光亮度。Ks是物体表面镜面反射系数，为理想镜面反射方向与视线方向的夹角，n为镜面反射光的会聚指数。,Phong 光照模型,考虑环境光、漫反射和镜面反射，则物体表面的反射光亮度为 ：,实际上光的亮度
5、与传播距离的平方成反比，Il为光源处的光亮度，光线抵达物体表面以及从物体表面反射进入观察者眼睛的过程中存在衰减的问题。漫反射分量和镜面反射分量应该乘以一个衰减因子，以取得远的物体看起来暗些的效果。当场景的投影变换采用透视投影时，Warnock提出线性衰减因子1/d，而Rommey提出衰减因子1/dp可以取得比较真实的效果。此时Phong光照模型可以进一步描述为:,其中d是物体上当前考察点到视点的距离，K是一个任意的常量， 。,光照效果图,计算物体上可见点光亮度时通常是将光亮度转换成为光栅图形显示器采用的RGB三基色，这时计算需要在三个基色上分别进行。如果存在多个光源，则将效果线性相加。此时光照
6、模型可以描述为 ：,建立简单光照模型后，就可以用于消隐算法中计算像素所对应的物体上可见点的亮度。,明暗处理,(a) 多边形表示的物体 (b) Gouraud明暗处理,光照计算时需要用到多边形上点的法矢量，如果多边形上点的法矢量总是取多边形的面法矢，则由于不同平面片之间法矢量不连续，最终绘制出来的图像看起来呈多面体状。,解决方法：首先多边形的顶点法矢量不再简单的取为其所在多边形的面法矢，而是取为共该顶点的所有多边形的面法矢的平均值；其次多边形内部点的法矢量也不再简单地取为多边形的面法矢，而是利用多边形顶点的法矢量通过双线性插值计算出。,对P点进行双线性插值,Phong明暗处理（插值法矢）,如图，
7、P1、P2、P3是多边形顶点，其法矢量视为共该点的所有多边形法矢量的平均值。由P1、P2的法矢量可以线性插值计算出A点的法矢量，由P1、P3的法矢量可以线性插值计算出B点的法矢量，于是P点的法矢量可以由A、B点处的法矢量线性插值计算出，计算出P的法矢量后应用简单光照模型可以计算出P点的光亮度。,Gouraud明暗处理（插值颜色）,由于每个像素点都需要法向量插值和光照计算，Phong明暗处理计算量较大，一种简化的处理方法是先利用光照模型计算出多边形顶点处亮度，然后对亮度进行双线性插值，直接获得像素的颜色，P1、P2、P3是多边形顶点，其亮度已经计算出。A点的亮度可以由P1、P2点的亮度线性插值计
8、算出，B点的亮度可以由P1、P3点的亮度线性插值计算出，于是P点的亮度可以由A、B点的亮度线性插值计算出。,Phong明暗处理计算量远大于Gouraud明暗处理，但效果好。,光线跟踪与辐射度方法介绍,简单光照模型将光在物体间往复反射、折射引起的照明效果简化为环境光形式的入射光，没有很好的模拟光的折射、反射，没有特别考察物体间的相互照明影响，这使得简单光照模型在某些情况下绘制效果并不理想。,Ic为简单光照模型计算结果，Is为其它物体反射光，It为透射光，Ks为物体表面的镜面反射系数，Kt为物体表面的透射系数。,Whitted特别考察了光在物体间往复反射、折射引起的照明效果。Whitted认为物体
9、表面向空间某方向V辐射的光亮度I由三部分组成：,整体光照模型,光线跟踪,光线跟踪技术是Whitted由光线投射技术发展的。从视点V向投影面上与像素e对应的点投射一光线， P1是该光线与场景中的物体相交的、离视点最近的点。,辐射度方法,1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中，用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果。辐射度方法基于物理学的能量平衡原理，它采用数值求解技术来近似每一个景物表面的辐射度分布。,按整体光照模型，计算P1点的光亮需要计算源自其它物体的镜面反射光和规则透射光，如图，在P2、P3点分别沿相应镜面
10、反射方向、规则透射方向发出一条光线与景物求交，欲求出交点处对P2、P3的反射光亮度，如此追踪下去，实际上是自然界光照明物理过程的的近似逆过程，光线跟踪故此得名。,光线跟踪原理,光线投射（Ray Casting） 被跟踪的光线仅从每个像素到离它最近的景物为止；光线跟踪（Ray-trace） Appel在1968年提出 通过跟踪多条从视点发出的光线在场景中的路径，以得到多个景物表面所产生的反射和折射影响； 是光线投射算法的延伸。,光线跟踪原理,主要思想 沿着到达视点的光线的相反方向跟踪 经过屏幕上每一象素 找出与视线所交的物体表面点P0 继续跟踪，找出影响P0点光强的所有的光源 算出P0点上精确的
11、光照强度 重复上述光线跟踪过程，直到满足下述任一条件时为止： 光线与光源相交； 光线与背景相交； 被跟踪的光线对首交点处的光亮度贡献趋近于0。,光线跟踪原理,上述光线跟踪过程可以用 一棵二叉树（称为光线树）来表示,光线跟踪原理,光线与实体的求交 75%以上的工作量用于求交计算光线跟踪方法实用的关键 线与面求交算法的效率,光线跟踪原理,优点 能模拟环境的镜面反射、规则透射以及透明体阴影等复杂精致的光照效果。 缺点： 不能模拟环境的镜面反射和透射光引起的漫反射效果 要生成一棵庞大的光线树而耗时很多，而且容易引起图形的细节丢失等反走样现象,物体表面细节的模拟,物体表面的细节可以分为两类：一类是由物体
12、表面颜色色彩、明暗变化体现出来的细节，如光滑瓷砖表面上装饰图案，它主要取决于物体表面的材质属性；另一类是由物体表面不规则的细小凹凸造成的细节，如桔子表面的皱纹，它主要取决于物体本身的几何形状。 在计算机中描述物体材质属性、几何形状的细节很难，如果只追求看起来象就可以了，可以通过纹理映射的方式生成物体表面的细节。 纹理映射可以分为：颜色纹理映射和几何纹理映射。颜色纹理映射用来在光滑表面上产生花纹图案的效果，几何纹理映射用来使物体表面产生凹凸不平的效果。 一般地讲，利用纹理映射可以在不增加场景描述复杂度，不显著增加计算量的前提下，大幅度地提高图形的真实感。,颜色纹理映射技术,颜色纹理映射的三个主要
13、步骤： （1）纹理函数定义； （2）映射函数定义； （3）纹理映射的实施；,映射,纹理图案 (a) 纹理定义域 (b) 物体表面,几何纹理映射技术,粗糙表面的法矢量具有一个比较小的随机分量，这使得其上的光线反射方向也具有一定的随机分量。Blinn用表面法矢量的扰动产生凹凸不平的真实感效果。,阴影的生成,阴影是现实生活中一个很常见的光照现象，在真实感图形学中，通过阴影可以反映出物体之间的相互位置关系，增加图形图像的立体效果，极大地增强真实感。阴影可以分为本影和半影。本影是指物体表面上那些没有被任何光源直接照射到的部分，半影是指物体表面上那些被某些特定光源或特定光源的一部分直接照射到，但不是被所有
14、光源直接照射到的部分。,场景绘制时，先利用消隐技术确定物体表面的可见部分或者是像素所对应的物体表面上的可见点，然后应用光照模型计算物体表面上可见点的亮度，这时如果根据光源是否可以直接照射到物体表面上当前可见点来取舍光源的照明效果，则绘制出来的图像具有阴影的效果。 线投射算法和光线追踪算法可以用于阴影的生成。 对光线投射算法而言，如果光源不能直接照射到像素所对应的物体表面上的可见点，则物体表面上当前可见点的亮度只包含环境光反射项。 对光线追踪算法而言，如果光源不能直接照射到当前追踪到的物体表面上的点，则该点反射的光亮度只包括简单光照模型中的环境光反射项、来自其它物体经当前表面镜面反射的光亮度、来自其他物体经当前表面规则透射的光亮度。,
