1、1第八章明暗處理為了使用幾何模型創(chuàng)造逼真的圖形場(chǎng)景, 我們根據(jù)物體的材質(zhì)屬性、光源位置和視點(diǎn)計(jì)算物體表面的光照亮度。2內(nèi)容Phong 照明模型點(diǎn)光源線光源反射漫反射鏡面反射環(huán)境反射Gouraud 明暗處理Phong 明暗處理陰影3點(diǎn)光源n為表面法向.n在平面上各點(diǎn)處是相等的s 為光源的方向. s 根據(jù)位置的不同不斷改變,例如, s1 s2 . 光源靠近物體表面時(shí)，s的改變量變得更大 sns1s2nn4線光源當(dāng)光源離得較遠(yuǎn)時(shí), s的變化將變得不明顯. 當(dāng)距離變得非常遠(yuǎn)時(shí), s在一個(gè)表面上保持不變 例如太陽(yáng). 被稱為線光源 (或平行光源, 或分散光源.) ssnn5令 Ii 為入射光的強(qiáng)度 ,為

2、s和 n 的夾角大小, 0o 90o.Ii cos 為單位表面區(qū)域接收到的光的數(shù)量當(dāng) = 0, 入射光垂直于表面。表面 接收到的入射光的數(shù)量最多例如： 正午的太陽(yáng)光當(dāng) = 90o時(shí)，它接收不到光照。當(dāng) 90o 時(shí)，光在表面的另一邊，它也接收不到光照。cossncos6漫反射一個(gè)完美的粗糙表面幾乎 可以向所有方向反射光Lambert 余弦定律反射的光的數(shù)量為 Id = Rd Ii cosRd ,漫反射系數(shù)為：0 Rd 1Id 與視點(diǎn)無(wú)關(guān) cos 為s 在 n上的投影. 如果s 和 n 是單位向量,cos = s n (點(diǎn)乘)snsncosMicroscopic view7衰減 當(dāng)光遠(yuǎn)離表面時(shí)，光

3、的強(qiáng)度變?nèi)鯇?duì)于一個(gè)點(diǎn)光源, 衰減系數(shù)為, d 為到點(diǎn)光源的距離.a, b, 和 c 為以經(jīng)驗(yàn)選擇的啟發(fā)式參數(shù) 、對(duì)于一個(gè)定向光源, Af = 121dAf21cdbdaAf( in theory )( in practice )8漫反射 從一個(gè)點(diǎn)光源從一個(gè)線光源 Id = Rd Ii cos = Rd Ii (s n)(cos22nscdbdaIRcdbdaIRIididd9Pure diffuse reflection from directional source pointing (1,1,1)10鏡面反射平滑的亮的表面對(duì)光的反射. 純鏡面反射的例子11鏡面反射一個(gè)亮的表面以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方

4、向反射光r 在跨越 n 和 s的表面上. 它和n的夾角大小與n和s的夾角大小相等 . 0o 90o. 當(dāng)從 v方向觀察表面上的一個(gè)點(diǎn)時(shí)，光的反射量為：Ii , 入射光強(qiáng)度 Rs , 鏡面反射系數(shù), 0 Rs 1snrkissIRIcossnrv12 為標(biāo)準(zhǔn)反射線 (r) 和視線 (v) 的夾角在一個(gè)亮表面上, 當(dāng) v 偏離 r 時(shí)很少能發(fā)現(xiàn)反射光. 當(dāng)當(dāng)在一個(gè)陰暗的表面上, 在v處能發(fā)現(xiàn)更多的光。 這種現(xiàn)象可用 cosk 來(lái)建模. k 為物體的反光度。k越大，亮度越高。cos = r v光的衰減的建模與漫反射相同。kissIRIcossnrv13-0.200.20.40.60.811.2-2-

5、1.5-1-0.500.511.5250cos-0.200.20.40.60.811.2-2-1.5-1-0.500.511.52-0.200.20.40.60.811.2-2-1.5-1-0.500.511.52-0.200.20.40.60.811.2-2-1.5-1-0.500.511.524cos10coscos14鏡面反射從點(diǎn)光源從線光源kiskisscdbdaIRcdbdaIRI)(cos22vrkiskissIRIRI)(cosvr 15找到反射射線 r, 根據(jù) n 和 sr, n 和 s 為歸一化向量.red_arrow = (n s) nr + s = 2 red_arrow

6、 r = 2 (n s) n s rsrsrsn16模擬材質(zhì)屬性為了提高效率, 在公式中使用 h n來(lái)近似r v。h 被稱為 half-way 向量.h = ( s + v ) / 2snrvhnhvr 17使用模擬材質(zhì)屬性進(jìn)行漫反射從一個(gè)點(diǎn)光源從一個(gè)線光源kiskisscdbdaIRcdbdaIRI)(cos22nhkiskissIRIRI)(cosnhh = ( s + v ) / 218k shall less than 12819純鏡面反射20環(huán)境光的反射(background), Ia由于表面之間的多次反射，環(huán)境光(IAm) 為均勻亮度.Ia = Ra IAmRa , 環(huán)境光反射系數(shù)

7、, 0 Ra 1Ia 和表面法向及視點(diǎn)無(wú)關(guān) , 和光源的位置 (或方向) 無(wú)關(guān)21Pure Ambientfloat globalAmbient = 0.9, 0.9, 0.9, 1.;glLightModelfv( GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, globalAmbient );22OverallPure DiffusePure AmbientPure Specular23整體 Phong 照明模型對(duì)點(diǎn)光源的反射對(duì)線光源的反射amakisiddIRIRcdbdaIRI)( )(2nhnsamakisiddIRIRIRI)( )(nhns24Shiny Teapot 為生成彩色

8、圖片, 分別對(duì)紅色、綠色和藍(lán)色進(jìn)行明暗處理運(yùn)算。GLfloat specular = 1., 1., 1., 1.;GLfloat ambient = .41, .135, .067, 1.;GLfloat diffuse = .41, .135, .067, 1.;glMaterialf( GL_FRONT, GL_SHININESS, 125.);25快速明暗處理 (Flat Shading), 基于多邊形 表面的明暗是從表面反射的環(huán)境光、漫射光和鏡面光的數(shù)量。在快速渲染中, 只對(duì)多邊形上的一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行一次反射計(jì)算。計(jì)算的結(jié)果將被賦給多邊形上的所有像素. 表面法向被用于計(jì)算整個(gè)多邊形有同樣的

9、明暗值方法是有效率的，但過于粗糙。n26一個(gè)Mach band 是在兩個(gè)具有不同明暗值的多邊形的鄰接邊上發(fā)現(xiàn)的條紋. Mach bands 經(jīng)常發(fā)現(xiàn)于陰影上我們的眼睛對(duì)離散變化的明暗特別敏感 2728Gouraud 明暗處理, 基于頂點(diǎn)的 對(duì)多邊形上的每個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行一次明暗計(jì)算。 每個(gè)頂點(diǎn)有一個(gè)法向，可能是多邊形的法向或者周圍相鄰幾個(gè)法向的平均。使用這個(gè)頂點(diǎn)的法向計(jì)算這個(gè)頂點(diǎn)處像素的明暗值。n4n3n2n1n0nbncnandn29被這個(gè)多邊形覆蓋的其他像素的明暗值通過插值得到，如同計(jì)算顏色的情況。中間點(diǎn)的顏色C, 由下式得到： ABC)()()1 ()(AB of distanceAC of

10、distanceBColorAColorCColor30確定被多邊形覆蓋的一個(gè)像素點(diǎn)的顏色D的顏色由A和B確定E的顏色由 A和C確定F點(diǎn)的顏色由D和E確定BACDEF一行像素31Constant ShadingGouraud Shading323334Phong 明暗處理,基于像素 不同于 Gouraud 明暗處理技術(shù)的對(duì)每個(gè)像素處明暗值進(jìn)行插值計(jì)算, Phong提出對(duì)多邊形上的每個(gè)像素的法向進(jìn)行插值計(jì)算。然后計(jì)算每個(gè)像素處的明暗值。 使用 Gouraud 明暗處理技術(shù), 我們常常需要將一個(gè)表面分割成小塊來(lái)得到滿意的結(jié)果。 Phong 明暗處理技術(shù)減少了過多的分割，但是需要更多的計(jì)算。 它能產(chǎn)

11、生更高質(zhì)量的圖片但也更慢。BACDEFA row of pixels35插值計(jì)算邊緣和每一行像素的法向36Phong 明暗處理技術(shù)示例37OpenGL 中的照明技術(shù)Enable/Disable lightingglEnable( GL_LIGHTING); /setting colors are ignoredglDisable( GL_LIGHTING);指定一個(gè)陰影模型Either flat shading or smooth (Gouraud) shading glShadeModel( GL_FLAT); glShadeModel( GL_SMOOTH);指定每個(gè)頂點(diǎn)的法向量. 例如,

12、 在原點(diǎn)繪制球體時(shí)glNormal3f( x, y, z); glVertex3f( r*x, r*y, r*z);38在另一個(gè)法向被指定前，一個(gè)法向一直保持有效。/Draw a cylinderglBegin( GL_QUAD_STRIP); t = 0.; dt = (360. / nslice) * 3.1416 / 180.; for (j = 0; j = nslice; +j) glNormal3f( cos( t), 0., sin( t); glVertex3f( cos( t), 0., sin( t); glVertex3f( cos( t), 2., sin( t); t

13、 = t + dt; glEnd();zyx39void triangle( float v3, int a, int b, int c) glBegin(GL_TRIANGLES);glVertex3fv( va); glVertex3fv( vb); glVertex3fv( vc); glEnd(); void tetrahedron() float v3 = -1., -1., -1., 1., -1., 1., -1., 1., 1., 1., 1., -1. ; glNormal3f( -1., -1., 1.); triangle( v, 0, 1, 2); glNormal3f

14、( 1., 1., 1.); triangle( v, 1, 3, 2); glNormal3f( -1., 1., -1.); triangle( v, 0, 2, 3); glNormal3f( 1., -1., -1.); triangle( v, 0, 3, 1);(1,-1,1) (-1,1,1) (1,1,-1)xzy1320(-1,-1,-1) 40為了避免需要提供單位法向的困擾，你可以通過在 init() 中增加以下語(yǔ)句來(lái)讓系統(tǒng)為你歸一化所有向量 glEnable( GL_NORMALIZE);為一個(gè)光源指定顏色元素 (r, g, b, a) GLfloat ambient0

15、= 0.1, 0.1, 0.1, 1.;/Grey GLfloat diffuse0 = 1., 1., 1., 1.; /White GLfloat specular0 = 1., 1., 1., 1.;/White glLightfv( GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambient0); glLightfv( GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, diffuse0); glLightfv( GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular0);41實(shí)際生活中，一個(gè)光源的漫反射和鏡面反射經(jīng)常是相同的。 環(huán)境光依賴于環(huán)境。如果環(huán)境中有很多紅色物體 , 環(huán)

16、境光則微微傾向于紅色。 GLfloat a = 0.1, 0., 0., 1.;/Very pale red GLfloat d = 1., 1., 0., 1.; /Yellow GLfloat s = 1., 1., 0., 1.;/Yellow glLightfv( GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, a); glLightfv( GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, d); glLightfv( GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, s);42OpenGL 已經(jīng)可以調(diào)用下面語(yǔ)句將它轉(zhuǎn)化為(r, g, b),作為全局環(huán)境光. float globalAmbie

17、nt = r, g, b, 1.; glLightModelfv( GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, globalAmbient );指定一個(gè)點(diǎn)光源的位置 GLfloat light_position = 2., 4., 6., 1.; glLightfv( GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);指定線光源的方向。 GLfloat light_position = 1., 1., 1., 0.; glLightfv( GL_LIGHT1, GL_POSITION, light_position);s 為從物體指向光源的方向。它和光線方向相

18、反。sn(x,y,z)43可以定義8個(gè)光源GL_LIGHT0, GL_LIGHT1, , GL_LIGHT7打開或關(guān)閉一個(gè)特定的光源 (在繪制之前或之后 )glEnable( GL_LIGHT0); glDisable( GL_LIGHT0);默認(rèn)模式下, OpenGL 假設(shè)觀察者在無(wú)窮遠(yuǎn)處，這樣視角為一個(gè)常數(shù)。 當(dāng)觀察者實(shí)際離得很近時(shí)，這種近似會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的錯(cuò)誤。To ask OpenGL to use the true viewing angle in the calculation of specular reflection. glLightModeli( GL_LIGHT_MODEL_

19、LOCAL_VIEWER, GL_TRUE);44網(wǎng)格大小的影響 (Important)下面, 一個(gè)發(fā)光的白墻被分成不同的大小并用一個(gè)白色的線光源來(lái)渲染 GLfloat ambient0 = 0., 0., 0., 1.;GLfloat diffuse0 = .7, .7, .7, 1.; GLfloat specular0 = 1., 1., 1., 1.;position = 0., 0., 1., 0.; /光源方向/視點(diǎn)位置 (0, 0, 8)20 2010 104 42 21 1FastSlow45線光源和點(diǎn)光源在一個(gè)白色發(fā)光物體上的比較. 視點(diǎn)位置在 (0, 0, 8)Point

20、sourceat (0,0,8)Dir. sourceat (0,0,1)46對(duì)于一個(gè)點(diǎn)光源, 我們可以指定一個(gè)常數(shù)為衰減系數(shù)glLightf( GL_LIGHT1, GL_CONSTANT_ATTENUATION, .0); glLightf( GL_LIGHT1, GL_LINEAR_ATTENUATION, .5); glLightf( GL_LIGHT1, GL_QUADRATIC_ATTENUATION, 0.);默認(rèn)值為 a = 1, b = 0, c = 0 (沒有衰減)對(duì)于更高的衰減,則為 b 和 c設(shè)定一個(gè)更高的系數(shù), e.g., 1, 1.5, 2 or 3.21cdbda

21、Af47定義一個(gè)聚光燈 (一個(gè)特殊的點(diǎn)光源)的顏色值，位置，衰減常數(shù)的指定方式和普通點(diǎn)光源相同。另外, 我們可以指定聚光燈的方向和遮光角度4850403020 GLfloat light_direction = 0, 0, -1; /From the light glLightfv( GL_LIGHT2, GL_SPOT_DIRECTION, light_direction); glLightf( GL_LIGHT2, GL_SPOT_CUTOFF, 20.);截止角在白墻上的影響。49e = 0e = 10e = 100也可以設(shè)置GL_SPOT_EXPONENT默認(rèn)值為 0 表示光強(qiáng)度從中心

22、到邊緣均勻分布一個(gè)更高的衰減范圍導(dǎo)致中心強(qiáng)度更強(qiáng)。 glLightf( GL_LIGHT2, GL_SPOT_EXPONENT, 10.);50指定一個(gè)亮紅色物體的反射比 GLfloat diffuse = .41, .135, .067, 1.; GLfloat specular = 1., 1., 1., 1.; glMaterialfv( GL_FRONT, GL_AMBIENT, diffuse); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_DIFFUSE, diffuse); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_SPECULAR, specular);

23、glMaterialf( GL_FRONT, GL_SHININESS, 125.);白色光源的方向?yàn)?(1,1,1)51材質(zhì)的反射鏡面反射的紅色、綠色和藍(lán)色分量一般是相同的，因此光源的原始顏色將被反射。 (在上一副關(guān)于茶壺的圖片中最亮的部分為白色，和光源的顏色一樣。)對(duì)于高度反光的材質(zhì)，鏡面反射率接近于 1 并且亮度可高達(dá) 100 甚至更高.暗表面的鏡面反射率和亮度接近于 0。一個(gè)材質(zhì)屬性, 例如, 反射比,在下一個(gè)值被指定之前保持有效。52材質(zhì)的顏色主要取決于漫反射率。漫反射提供很多曲率和物體深度的信息。鏡面反射產(chǎn)生的亮點(diǎn)為光源的模糊圖像。53OverallPure DiffusePure

24、 AmbientPure Specular54 GLfloat ambient = .6, .59, .42, 1.; GLfloat diffuse = .5, .5, .35, 1.; GLfloat specular = .1, .1, .07, 1.; glMaterialfv( GL_FRONT, GL_AMBIENT, ambient); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_DIFFUSE, diffuse); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_SPECULAR, specular); glMaterialf( GL_FRONT, GL_SHI

25、NINESS, 1.);光源為位于 (1, 1, 1)處的白色線光源5556發(fā)光為讓一個(gè)材料看起來(lái)發(fā)光, 例如, 下一頁(yè)中的月亮. GLfloat emission = r, g, b, a; glMaterialfv( GL_FRONT, GL_EMISSION, emission); 關(guān)閉emission: 將 r-, g-, b-部件設(shè)定為0值.注意一個(gè)發(fā)光物體不是一個(gè)光源. 發(fā)光只是材質(zhì)的一個(gè)屬性GLfloat emission = 1., 1., .75, 1.;glMaterialfv( GL_FRONT, GL_EMISSION, emission);draw_moon();GL

26、float no_em = 0., 0., 0., 1.;glMaterialfv( GL_FRONT, GL_EMISSION, no_em);57使用5種材質(zhì)渲染的一副圖片, 兩個(gè)紋理, 16 個(gè)點(diǎn)光源. 月亮是一個(gè)發(fā)光物體。5859Transparent透明物體60透明物體1. 定義混合函數(shù)，并打開混合 glBlendFunc( GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA); glEnable( GL_BLEND);2. 定義材質(zhì)的不透明度小于 1.3. 在繪制透明物體之前先繪制背景物體. 正面和背面都使用填充多邊形繪制。void transMaterial

27、1() GLfloat a = .7, 1., .85, .3; GLfloat s = 1., 1., 1., 1.; glMaterialfv( GL_FRONT, GL_AMBIENT, a); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_DIFFUSE, a); glMaterialfv( GL_FRONT, GL_SPECULAR, s); glMaterialf( GL_FRONT, GL_SHININESS, 100.);*616263所有的 OpenGL 參數(shù), 包括光照, 都有默認(rèn)值. 在指定一個(gè)新的參數(shù)值之前，這個(gè)參數(shù)值一直保持有效。默認(rèn)GL_LIGHT0 發(fā)出白

28、光并且位于視點(diǎn)處。確切的光照明效果是很難預(yù)測(cè)的。 在調(diào)節(jié)光照參數(shù)時(shí)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)都很重要。在一個(gè)PC機(jī)上 OpenGL 提供的照明效果是有限的。 64ShadowsShadow65ShadowBShadows from a directional light source使用 i, j, k, l, p and ; 來(lái)移動(dòng)茶壺.使用 arrows and PgUp 和 PgDn keys 來(lái)移動(dòng)光源.66光的方向?yàn)?(dx, dy, dz). (x, y, z) 在平面上的陰影位于(x, y, z).我們有 x = x + dx, y = y + dy, z = z + dz. 另外, a (x

29、+ dx) + b (y + dy) + c (z + dz)+ d = 0. = (a x + b y + c z + d) / (a dx + b dy + c dz)(x, y, z)(x, y, z)a x + b y + c z + d = 0(dx, dy, dz)671000zyxdzcdybdxadzddybdxadzbdzadyddycdzcdxadyadxddxcdxbdzcdybwzyx.)()()(zydxcdybdxadxdzdxcydxbxdxcdybxdxdxcdybdxadzcybxaxx= (a x + b y + c z + d) / (a dx + b d

30、y + c dz)68/設(shè)定矩陣 M 使得它將一個(gè)頂點(diǎn)投影到平面上/ ax + by + cz + d = 0./ 光線的方向?yàn)?dx, dy, dz).void directionalLightShadow( double dx, double dy, double dz, double a, double b, double c, double d, GLfloat M16) M0 = b*dy+c*dz; M4 = -b*dx; M8 = -c*dx; M12 = -d*dx; M1 = -a*dy; M5 = a*dx+c*dz; M9 = -c*dy; M13 = -d*dy; M2

31、 = -a*dz; M6 = -b*dz; M10 = a*dx+b*dy; M14 = -d*dz; M3 = 0; M7 = 0; M11 = 0; M15 = a*dx+b*dy+c*dz;69GLfloat M16;double dx = , dy = , dz = ; glDisable( GL_LIGHTING);glColor4f( 0., 0., 0., 1.);glPushMatrix(); directionalLightShadow( dx, dy, dz, 0, 0, 1, 5, M); glMultMatrixf( M); drawTeapot(); glPopMat

32、rix();在平面 z + 5 = 0上繪制茶壺的陰影光線的方向?yàn)?(dx, dy, dz)ShadowB70ShadowA從一個(gè)點(diǎn)光源得到的陰影71假設(shè)點(diǎn)光源位于原點(diǎn). 頂點(diǎn) (x, y, z) 的在平面上的陰影為 (x, y, z).因此我們有x = x, y = y, z = z. 另外, a ( x) + b ( y) + c ( z) + d = 0. = d / (ax + by + cz) x = d x/ (ax + by + cz) 10dcdbda010000100001zyxwzyx.dcdbdazyzyxxx(x, y, z)(x, y, z)(0,0,0)ax + by + cz + d = 072如果光源位