1、第八章 颜色和简单光照明模型,光照明模型也称为光照模型或明暗模型，用于计算物体表面某点处的光强度，是生成真实感图形的基础。它根据光学物理中的有关定律，计算出景物表面上任一点投向观察者眼中的光亮度的大小和色彩组成的表达式，从而在显示器上生成真实感图形。,概 述,可见面颜色：由表面向视线方向辐射的光中所含不同波长光的比例决定的,可见面明暗程度：由反射光和透射光的强弱决定,8.1.1,8.1.2,颜色模型,颜色的特性,8.1 颜色,颜色概述,颜色是可见光的一种视觉特性。可见光（电磁能）经过与周围环境相互作用后到达人眼，并经一系列物理和化学作用转化为人眼所能感知的电脉冲，让人眼感觉到了颜色。 或说，颜
2、色是人的视觉系统对所接受到的光信号产生的一种感觉,不同波长的光信号带给人不同的颜色感受。 所以，影响颜色的是：（1）光（2）物体（3）观察者,8.1.1 颜色的特性,具有各种颜色的光是电磁频谱中狭窄的频谱波段，称为可见光。在电磁频谱中还有其它一些频谱波段，如无线电波、微波、红外线和X射线等，这些光是不可见的。,每一频率对应一种单独的颜色，在 其低频率端是红色，高频率端是紫 色。从低频到高频的光谱颜色 变化分别是红，橙，黄，绿， 蓝，青和紫。,8.1.1 颜色的特性,颜色涉及到的三个量,色彩,光是电磁波 ，可以用波长或频率f来指定色彩 ，单色光波的频率和波长互成反比，比例常数是光速。频率对于各种
3、物质是一个常数，光速和波长是依赖于物质的。,亮度,光谱色彩的波长单位通常 是埃（1=108cm） 或纳米（1nm=107cm）,物体表面的亮度与其周围环境的亮度无关，而表面的明度则是指人眼感知到的亮度，它与其周围环境的亮度有关。具有恒定亮度的物体，当将其置于不同环境时，它的明度不同。,纯度,纯度（Purity）或饱和度(Saturation)也是颜色的一个重要的属性。纯度说明光的颜色有多纯，淡的颜色说明不太纯。例如，在一束彩色光中加入白光，那么光的颜色就会变淡，纯度降低。,8.1.1 颜色的特性,颜色其他影响因素1）人的视觉系统,颜色是主观的，依赖于观察者的。 光效率函数：它表示人眼感受各种波
4、长的光的敏感度。反映了不同波长的光刺激人眼产生亮度的效率。人眼对绿色最敏感、红色次之、蓝色最弱所以RGB常作为三基色。 在明亮条件下，人的眼睛最敏感的光的波长约为555nm，即黄绿光。 在暗视觉条件下，人眼对波长为510nm蓝绿色的光最敏感。,8.1.1 颜色的特性,颜色其他影响因素2）心里因素,色彩对比效应 ：如果两种颜色的光混合后为白 光，则这两种颜色互为补色。,1,明度对比效应 ：当在相邻区域观察明显不同的 两种颜色时，视觉系统感知的亮度会发生偏移,2,颜色适应效应 ：人眼受到颜色的强刺激作用， 会使感受到的颜色的明度和饱和度产生变化。,3,8.1.2 颜色模型,三原色,两种不同颜色的光
5、源在合适的强度组合下可以生成另一种颜色。而 人的眼睛仅包含三种不同类型的锥状细胞，所以对任意三种颜色的适当组合即可产生白光的视觉，条件是这三种颜色中任意两种的组合都不能生成第三种颜色，这三种颜色称为三原色。 所以 适当选择两种或多种初始颜色混合时的比例，可以获得一定范围的颜色，这就是用颜色模型指定颜色的方法。,颜色模型分类,适用于硬件,面向用户,8.1.2 颜色模型,1、RGB模型,红.绿.蓝（RGB）彩色模型用于彩色CRT监视器。RGB彩色系统采用笛卡儿坐标系，RGB三个基色定义的颜色集合是红绿蓝颜色坐标系统中的单位立方体。坐标原点代表黑色，坐标点(1,1,1)代表白色。坐标轴上的顶点代表三
6、个基色，余下的顶点则代表每一个基色的补色，例如，黄(1,1,0)的补色为蓝(0,0,1)。,三基色通过叠加混合来产生新 的颜色，是加色模型。,8.1.2 颜色模型,1、RGB模型,8.1.2 颜色模型,2、CMY模型,青(Cyan) =G+B 品红(Magenta) =R+B 黄（Yellow）=B+G,减色模型：就是从白色的背景 中减去某种颜色而获得新的颜 色，如光经过品红色物体的反 射和透射后，光谱中的绿色成 分将被吸收和减去。,CMY模型的三基色与RGB模型 的三基色互为补色。颜色的补色 即为从白色中减去这种颜色后所 得的颜色。因此青色是白色减去 红色，品红是白色减去绿色，黄 色则是白色
7、减去蓝色。,8.1.2 颜色模型,3、YIQ模型,用于标准彩色电视广播系统的RGB三原色系统受到下列条件的限制： 广播信号频带宽度有限。如我国每频道的宽度为8MHz，美国为6MHz；彩色信号必须与标准的黑白电视兼容。 为此，美国国家电视标准委员会（National Television Standards Committee，简称NTSC）制定了一种新的颜色模型YIQ模型，它以CIE XYZ模型中的概念为基础，形成的是电视监视器的组合视频信号。,第一分量Y表示亮度，它等价于XYZ模型中的Y分量。 Y分量 在三分量中占了大部分频率(4MHz)。Y信号中红，绿，蓝三原 色按适当比例混合以获得标准的
8、光谱光效率曲线,1,第二个分量I称为同相信号，其颜色值包含了橙至青的色彩信 息。其分量占据了1.5MHz的频带宽度。,2,第三分量Q称为正交信号，它包含了绿至品红的色彩信息。 其分量只占了0.6MHz的频带宽度。,3,8.1.2 颜色模型,3、YIQ模型,该模型的思想完全基于画家作画的配色过程。画家一般采用 色泽，色深和色调的概念来配色。给定一种纯色的颜料，画 家在它上面掺入白色以获得色泽，而掺入黑色便获得色深， 若同时调节则获得不同色调的颜色。这几个概念之间的关系 可表示成一个三角形。,8.1.2 颜色模型,4、HSV模型,H（色度）：颜色的种类；红、绿等。,1,S (饱合度)：颜色的深浅；
9、深红、浅红等；加入白光稀释,饱合度越高，颜色越深，白光越少。,2,V (明度)：光的明暗程度。,3,8.1.2 颜色模型,4、HSV模型,8.1.2 颜色模型,4、HSV模型,降低饱和度S对应于在当前颜色中加入白色,降低明度V则对应于在当前颜色中加入黑色,8.1.2 颜色模型,4、HSV模型,HSV模型用极坐标来定义颜色空间，它是一个倒立的单位正六棱锥，如图,前面几个模型的缺点： 上面介绍的颜色模型并不能用来显示 自然界所有的颜色。,8.1.2 颜色模型,5、XYZ颜色模型和CIE色度图,解决方法： 为了解决负光强的问题，国际照明委员 会（简称CIE）在1931年定义了三种标准 基色，这三种基
10、色是想象的颜色，在理 论上可以显示各种波长的光（即颜色）。 这就是XYZ模型。,8.1.2 颜色模型,5、XYZ颜色模型和CIE色度图,任何一种颜色C可以表示成：X，Y，Z指出为匹配C所需的标准基色的量 。 对上式进行规范化：这里x+y+z=1。,8.1.2 颜色模型,5、XYZ颜色模型和CIE色度图,进行规范化后，参数x和y称为色度值，因为它们仅依赖于色彩和纯度。 关于一种颜色的完整描述一般需要使用三个值，x,y和Y。其余两个CIE量可如下得到 其中,z=1-x-y。这样我们就可以用色度坐标 (x,y)在二维图形中表示所有颜色。,8.1.2 颜色模型,5、XYZ颜色模型和CIE色度图,在XY
11、Z颜色模型中，当绘制出可见光谱中颜色的规范化量x和y时，即可获得一如舌状的曲线，该曲线就称为CIE色度图。该图定义了一组彩色匹配函数,指出描述任何一种光谱颜色所需的每一种基色的量。从而给出了定义各种颜色的国际标准。,8.1.2 颜色模型,5、XYZ颜色模型和CIE色度图,(1)显示基色组的颜色范围 设I、J为任意两种颜色，如图所示，其不同的比例组合可以产生IJ连线上的任意一种颜色。再加入第三种颜色K，则I，J和K的不同比例组合能产生三角形颜色域IJK中的所有颜色。显然，三角形颜色区域必定是舌型区域的一部分，这就意味着没有一组三基色能组合产生所有的颜色。,8.1.2 颜色模型,5、XYZ颜色模型
12、和CIE色度图,(2)计算某种颜色的主波长与色纯度 当两种颜色组合时，新的颜色在色度图上位于原两种颜色的连线上。现若将颜色A看作校准白光C与纯色B的组合，则A的主波长即为B的主波长。线段AC的长度与线段BC长度之比即为颜色A的色纯度。,8.1.2 颜色模型,5、XYZ颜色模型和CIE色度图,(3)计算补色 互为补色的两种颜色组合后形成白色的光。在CIE色度图上，由于两点的颜色范围是一条直线，所以一对互补色在色度图上对应的点的连线必然经过C点。如图8.10中一定量的D和E组合时，我们将得到白色。,8.1.2 颜色模型,6、颜色模型的相互转换,(1) RGB模型和CMY模型 在这两个模型中，各种层
13、次的非彩色（灰色）均位于从白色到黑色的顶点对角线上。原色的补色在立方体上的对角顶点处。从RGB到CMY颜色空间的变换公式为右式 ：,8.2 简单光照明模型,8.2.1,8.2.2,简单光照明模型,光源与材质,8.2.1 光源与材质,1、光 源,所有可以发出辐射光能的物体统称为光源，如日光灯和太阳等。,通常在一个不透明且不发光的物体表面所 观察到的光线是其反射光，它由光源与其他物体表面的反射光所共同产生,光源,反射面,1、光 源光源的属性,光源的几何形状,1,光强分布,2,3,点光源，线光源，面光源和体光源,在计算机图形学中通常认为光源朝空间各个方向均匀的发射光。即在以光源为球心，某一距离为半径
14、的球面上各个方向所获得的光强是相同的。但实际情况却常常不是这样。例如，若照射空间中存在遮板或反射体，那么光源就会被遮挡或者光源的照射方向就会发生改变，从而影响到某一方向上的光强分布。,光源向四周所辐 射光的光谱分布,光源的颜色,8.2.1 光源与材质,1、光 源光的反射现象,环境反射,1,镜面反射,2,3,指从周围环境中均匀入射的光入射至 景物表面并等量的向各个方向反射出 去的现象。,光源还会产生高光或强光，称其为镜面反射。这种高光效果在磨光的物体表面上很明显，而对于粗糙物体表面则效果较差。,漫反射,光源粗糙物体表面往往将反射光向各 个方向散射。物体颜色实际上就是入 射光线被漫反射后所表现出来
15、的颜色,8.2.1 光源与材质,2、材质,8.2.1 光源与材质,物体所呈现出的颜色在很大程度上取决于物体表面的材质。,如果光线被投射至一个不透明的物体表面，则部分光线被反射，部分被吸收,物体表面的材质类型决定了反射光的强弱 表面光滑较亮的材质将反射较多的入射光，而较暗的表面则吸收较多的入射光,同样对于一个半透明物体的表面，部分入射光会被反射，而另一部分则被折射,概述,8.2.2 简单光照明模型,利用光照明模型可以计算出物体表面某点处的光强度，获得较好的真实感图形。 该模型构建在下列假设之上 仅考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果 景物表面通常被假定为不透明，且具有均匀反射率 能表现由光
16、源直接照射在漫射表面上形成的连续明暗色调，镜面上的高光以及由于景物互相遮挡而形成的阴影等,概述,8.2.2 简单光照明模型,整体光照明模型 除了考虑简单光照明因素外 还要考虑周围环境对景物表面的影响。 能模拟出镜面映像，光的折射以及相邻景物表面之间的色彩辉映等较精致的光照明效果。,简单光照明模型,8.2.2 简单光照明模型,只考虑被照明物体的几何形状对反射和透射光的影响。环境假设为由白光照明，且反射光和透射光的颜色由用户选定。,假设物体不透明则物体表面呈现的颜色仅由其反射光决定。,反射光组成 环境反射 环境反射假定入射光均匀地从周围环境入射至景物表面并等量地向各个方向反射出去 漫反射与镜面反射
17、 漫反射分量和镜面反射分量则表示特定光源照射在景物表面上产生的反射光,要计算某一点的光亮度，就要分别求出这三个分量。,8.2.2 简单光照明模型,简单光照明模型环境发射光,环境反射光是由环境光在邻近物体上经过多次反射所产生的。光是来自四面八方的。这种光产生的效应简化为它在各个方向都有均匀的光强度Ie，某一个可见物体在仅有环境光照明的条件下，其上各点明暗程度完全一样。,环境反射光亮度可表示为：,Ie为物体的环境光反射亮度,Ipa为环境光亮度,ka为物体表面的环境光反射系数(0ka1),=,8.2.2 简单光照明模型,简单光照明模型漫反射光,漫反射分量表示特定点光源在景物表面某一点的反射光中那些向
18、空间各方向均匀反射出去的光,表面对入射光在各个方向上都有强度相同的反射，因而无论从哪个角度观察，这一点的光亮度都是相同的。,Ipd,Ipdcosi,i,C,A,B,C,由于A点的光源入射角为零,故发出的光亮度最大(为Ipd),而B点的光亮度就弱些,由于C 和C 的光源入射角为90度，故其表面光亮度为零。,8.2.2 简单光照明模型,简单光照明模型漫反射光郎伯余弦定律,对于一个漫反射体，表面的反射光亮度和光源入射角（入射光线和表面法向量的夹角）的余弦成正比0,kd为漫射系数，决定于表面材料及入射光的波长(0kd1),=,Id为物体表面漫反射光的光亮度,Ipd为光源垂直入射时反射光的光亮度,i为光
19、源入射角,8.2.2 简单光照明模型,简单光照明模型镜面反射光,对纯镜面，入射至表面面元上的光严格地遵循光的反射定律单向反射出去,反射角与入射角相等。,反射光,入射光,纯镜面,一般光滑平面,N,n小,n大,N,入射光,反射光,一般光滑表面，表面实际上是有许多朝向不同的微小平面组成，其镜面反射光分布于表面镜面反射方向的周围，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,镜面反射光为朝一定方向的反射光,根据光的反射定律，反射光和入射光对称地分布于表面法向的两侧。,8.2.2 简单光照明模型,简单光照明模型镜面反射光公式,为镜面反射方向和视线方向的夹角，介于0o到90o之间,采用余弦
20、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。,Is 为观察者接受到的镜面反射光亮度,Ips为入射光的光亮度,n为镜面反射光的会聚指数(与物体表面光滑度有关),ks为镜面反射系数(与材料性质和入射光波长有关),8.2.2 简单光照明模型,简单光照明模型镜面反射光公式会聚指数n 和球面反射,光亮度,Ips,Ipdcosn,E,D,8.2.2 简单光照明模型,Phong模型,当光源有多个时，则上式可写为：ka 环境反射系数 Kd 漫反射系数 Ks 镜面反射系数 表示对所有特定光源求和 且kd+ks=1,法向量的改变对光亮度计算影响大,点位置的改变对光亮度计算影响较小,Phong模型计算中涉及
21、的各方向向量,P,V,R,N,L,i,8.2.2 简单光照明模型,简单光照明模型(Phong模型),光谱量对应的颜色可由用户直接指定,一旦反射光中三种分量的颜色以及它们的系数ka, kd和ks确定之后，从景物表面上某点达到观察者的反射光颜色就仅仅和光源入射角和视角有关， 因此，Phong模型实际上是纯几何模型。,基于RGB三基色颜色系统的Phong模型,8.2.2 简单光照明模型,Phong模型减小计算量,设L0，N0，R0，V0是与L，N，R，V相应的单位向量，则,在实际应用中，为了减小计算量，可采用下面的方法计算cosi和cos。,8.3.1,8.3.2,Phong 明暗处理技术,Grou
22、nd 明暗处理技术,8.3 光滑明暗处理技术,8.3 光滑明暗处理技术,为提高算法效率，光滑景物表面由一些多边形近似。 使用通常的多边形扫描线算法来绘制这种近似表示的物体，则生成的图形将失去原有曲面的光滑性，而呈现多面体状。 原因:不同平面片之间存在不连续的法向量，导致由多个平面片表示的物体表面光亮度呈现不连续跃变,(a) (b)光滑表面的多边形表示,存在问题,8.3 光滑明暗处理技术,解决方法,Gouraud光亮度插值技术,Phong法向量插值技术,颜色插值,矢量插值,8.2.1 Gouraud明暗处理技术,基本思想,将曲面表面某一点的光亮度做近似表示，近似值为该曲面的各多边形顶点光亮度的双
23、线性插值,算法步骤,1）多边形各顶点光亮度计算,2）光亮度线性插值,扫描线,I1,V1,V2,V3,I2,I3,A,P (Ip),B,一条扫描线与多边形的边相交，交线的两个 端点分别是A和B，设P是交线上一象素中心， 称为采样点。多边形三个顶点的光亮度分别为I1,I2和I3，取A点的光亮度IA为I1和I2的线性插值，B点的光亮度IB为I1和I3的线性插值，则P点的光亮度Ip为IA和IB的线性插值,8.2.1 Gouraud明暗处理技术,1）多边形各顶点光亮度计算,法向量计算 取和顶点关联的各多边形面片的平均法向量作为该顶点的法向量 取多边形各顶点处原始曲面的真正法向量 将法向量代入光照明模型进
24、行光亮度计算。,8.2.1 Gouraud明暗处理技术,2）光亮度线性插值,光亮度线性插值-在采用扫描线算法对多边形进行绘制时 先用多边形顶点的光亮度线性插值出当前扫描平面与多边形边界交点处的光亮度， 然后再用交点的光亮度做线性插值求出多边形与扫描平面相交区段上每一采样点的光亮度值,8.2.1 Gouraud明暗处理技术,2）光亮度线性插值,其中y为各点投影到屏幕之后的y轴坐标,采用双线性插值计算P点的光亮度,其中x为各点投影到屏幕之后的x轴坐标,8.2.1 Gouraud明暗处理技术,2）光亮度线性插值提高计算效率,为了进一步提高计算效率，线性插值可使用增量法进行计算，其计算量仅涉及一次加法
25、计算。,可沿扫描线，从左至右顺序计算AB区段上所有象素的光亮度,设IA,IB已确定，P1和P2点是相邻两象素的坐标，相邻象素的插值参数之差为t，那么，P2点光亮度IP2和P1点光亮度IP1之间有以下关系,8.2.1 Gouraud明暗处理技术,Gouraud明暗处理的缺点,不能正确地模拟高光，这是因为采用光亮度插值后将使多边形内的高光丢失。,所绘制画面会诱发马赫带效应，虽然光亮度双线性插值保证了由多边形近似表示的曲面上各处光亮度的连续变化，但在相邻多边形的公共边界上光亮度的一阶导数并不连续，由于人眼的光学错觉，光亮度变化一阶不连续的边界处会呈现亮带或黑带，即马赫带效应。,克服这些缺点的一种方法
26、是采用Phong明暗处理,Flat,Gouraud,Phone,8.2.2 Phong明暗处理技术,基本思想,对多边形顶点处（平均）法向量做双线性插值,以增加一定的计算量为代价克服了Gouraud明暗处理的缺点。 Phong明暗处理能正确地模拟高光并能大大减轻马赫带效应。 也可采用扫描线双线性插值方法，计算法向量N时只要把Gouraud明暗处理中代表光亮度的I换成相应的法向量N即可。,三角形插值公式,基本思想,设Oxy是屏幕坐标系P1(x1,y1),P2(x2,y2)和P3(x3,y3)是三角形三 个顶点在屏幕上的投影坐标,I1、I2和I3分 别是P1、P2和P3处的光亮度,其中 a 和 b
27、满足如下方程：,解方程得,8.4.1,8.4.2,java3D中的光源与材质,java3D中的颜色设置及明暗处理,8.4.1,java3D应用举例,8.4 java3D环境下的光照明模型,1、java3D中的颜色模型,java3D模型的颜色是由R(Red)、G(Green)、B(Blue)三个分量来组合表示。,2、明暗模型,采用何种形式计算物体的明暗是在物体的Appearance对象的属性中指定，其模式由Coloring Attributes对象指定。 在java3D中由4种明暗模式：shadegourand，shadeflar、fastest和nicest。 在Ground明暗模式下，每个象
28、素的光明强度根据包围它的多边形顶点的强度，由插值法算出。,8.4.1 java3D中的颜色设置及明暗模型,1、光源,Java3D中的光照是真实光照的一种逼近，它是一个高效的方法。在Java3D中可以使用多个光源，也可以单独使用某个光源。 Java3D提供四种光源，即环境光、定向光、点光源、聚光源。,8.4 .2 java3D中的光源与材质,1、光源环境光 AmbientLight,环境光的特点是照射在物体上的光来自周围各个方向，又均匀地向各个方向反射。,LightOn定义灯光是否起作用； color定义灯光的颜色。缺省情 况下，lightOn的值为true,color 的颜色为(1f,1f,1
29、f),即白色。,8.4 .2 java3D中的光源与材质,1、光源定向光 DirectionalLight,DirectionalLight 的光线射向某一个特定方向，却不发自任何特定的位置。这种定向光的所有光线都平行发射。,LightOn定义灯光是否起作用；color定义灯光的颜色; direction为定向光的方向。,8.4 .2 java3D中的光源与材质,1、光源点光源 PointLight,PointLight 从一个指定位置向各个方向辐射，并随着距离的增加而减弱。点光源的典型例子是电灯泡，蜡烛,LightOn定义灯光是否起作用；color定义灯光的颜色; position为点光源的
30、位置，attenuation为其衰减。,8.4 .2 java3D中的光源与材质,1、光源聚光源 SpotLight,SpotLight 是一种将光的范围限制在一个圆锥形内的点光源。聚光源的一个例子是手电筒。物体的顶点位置必须在聚光源的范围内才可显现出颜色。,LightOn定义灯光是否起作用；color定义灯光的颜色;position为光 源的位置，attenuation为其衰减;direction为灯光的方向，是圆锥 的轴线方向；spreadAngle是发散角，有效范围是（0,/2; concentration定义光线衰减的速度。,8.4 .2 java3D中的光源与材质,2、材质,材质(M
31、aterial)对象是外观(Appearance)对象的一部分。物体表面在光线作用下的表现效果取决于它的材质。通过对物体设置不同的材质可以使物体呈现不同光滑程度的表面。,8.4 .2 java3D中的光源与材质,2、材质属性,Ambient color,1,Specular color,2,3,对环境光的反射。材质在环境光的照射下反射出来的颜色，这个颜色使物体可见，但不会有立体感。其默认值为（0.2，0.2，0.2）,镜面反射的颜色。即在光源的照射下，物体的高亮部分反射出的颜色。它和Diffuse color使物体有了真实感,Diffuse color,对外部光源的反射。外部光源可以是定向光 ，点光源，聚光源。其默认值为（1.0，1.0，1.0），即对任何颜色光源都可以反射,8.4 .2 java3D中的光源与材质,2、材质属性,Emissive color,4,5,物体自己发射的光线颜色。这个属性使物体在没有任何光线的照射下也可见，但并不会照亮场景中的其他物体。其默认值为（0.0，0.0，0.0）,Diffuse color,光泽度。物体的光泽度越高，表面越光滑，高亮部分越少,8.4 .2 java3D中的光源与材质,
