1（二）蘇小紅哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第8章真實(shí)感圖形生成2光照模型(1/6)IlluminationModel根據(jù)物理光學(xué)的有關(guān)定律計(jì)算景物表面上任意一點(diǎn)投向觀察者眼中的光亮度的大小和色彩組成的數(shù)學(xué)模型用來描述光照射到物體表面后發(fā)生的反射、折射和吸收等物理現(xiàn)象

光照表示材質(zhì)和光源之間的相互作用，或光源與所繪制的幾何對象之間的相互作用著色處理計(jì)算光照，并由此決定像素顏色的過程3光照模型(2/6)來自光源和周圍環(huán)境的入射光照在物體表面上時，可能被吸收——吸收的入射光能轉(zhuǎn)化為熱能反射透射不僅取決于景物表面的表面特性還取決于入射光源的照明特性4光照模型(3/6)表面特性景物表面的材質(zhì)反射系數(shù)——決定入射光中有多少光線被反射當(dāng)表面對不同波長的光具有不同的反射系數(shù)時，就會出現(xiàn)色彩當(dāng)表面有圖案紋理時，反射系數(shù)就會隨表面位置而變化透明性——決定有多少光線從物體后面透射過來對透明物體，其色彩是由透射光決定的反射光和透射光的光譜分布——決定了景物表面呈現(xiàn)的顏色反射光和透射光的強(qiáng)弱——決定了景物表面的明暗程度景物表面的朝向景物表面與光源的相對位置5光照模型(4/6)照明特性光源的性質(zhì)幾何性質(zhì)：兩層含義點(diǎn)光源、線光源、面光源、體光源平行光、非平行光（聚光光源）色彩（光譜分布）光強(qiáng)分布方向6光照模型(4/6)點(diǎn)光源位于空間某個位置，從該位置均勻向周圍發(fā)射光線線光源和面光源在一條直線或平面上，均勻放置足夠數(shù)量的點(diǎn)光源，計(jì)算量大日光燈，手術(shù)室的無影燈7光照模型(4/6)平行光在有限范圍內(nèi)，它的光強(qiáng)可認(rèn)為是不變的若點(diǎn)光源到物體距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物體本身的大小，則可認(rèn)為是平行光源太陽光聚光(Caustic)光源舞臺燈光，手電筒僅在錐體中發(fā)射光線α：斷角，聚光光源錐體角的一半，決定光源照射范圍β：偏心角，在照射范圍之外的光強(qiáng)為0n：聚光光源的聚光指數(shù)中線βααOpenGL中使用這三個參數(shù)控制光的衰減8光照模型(5/6)簡單光照模型基于經(jīng)驗(yàn)只考慮光源直接照射在景物表面所產(chǎn)生的光照效果假定物體表面是理想光滑的

，均勻反射率高光顏色與材料無關(guān)

局部光照模型以實(shí)際物體表面的微平面理論為基礎(chǔ)，反映表面的粗糙度對反射光強(qiáng)的影響根據(jù)材料的物理性質(zhì)決定高光顏色

整體光照模型考慮周圍環(huán)境對景物表面的影響不僅能模擬連續(xù)的明暗色調(diào)、鏡面高光、陰影還能模擬鏡面映像、光的折射、相鄰景物表面之間的色彩輝映等較為復(fù)雜精致的效果9光照模型(6/6)

簡單光照模型環(huán)境光模型Lambert漫反射模型

鏡面反射和Phong模型

10環(huán)境光模型(1/5)ambientlight也稱背景光，或泛光從周圍環(huán)境的各個方向投射來的光如墻壁、天空等沒有空間或方向上的特征均勻地照射在物體的各個不同的表面上等量地向各個方向反射分布光源精確模擬很耗時11環(huán)境光模型(2/5)近似模擬的環(huán)境光模型場景中的環(huán)境光光強(qiáng)物體表面環(huán)境光的漫反射系數(shù)12環(huán)境光模型(3/5)特點(diǎn)物體表面對環(huán)境光反射的強(qiáng)度與…無關(guān)入射光的入射方向觀察者的觀察方向物體表面的朝向僅與…有關(guān)環(huán)境光強(qiáng)度物體表面對環(huán)境光的反射系數(shù)（材質(zhì)屬性）13環(huán)境光模型(4/5)例子

=1.0，=0.4，=0.814環(huán)境光模型(5/5)缺點(diǎn)物體各個面具有同樣的亮度只能為景物表面產(chǎn)生一個平淡的明暗效果觀察者很難辨別景物各個面的層次不真實(shí)，不實(shí)用繪制三維場景時很少僅考慮環(huán)境光的作用通常至少要用一個點(diǎn)光源來照射物體在調(diào)試階段可節(jié)省不必要的明暗度計(jì)算調(diào)試變換、投影、求交、消隱程序15漫反射模型(1/4)diffusereflection可看成光穿過物體表面層被部分吸收后重新發(fā)射出來的光自然界中的絕大多數(shù)景物為理想漫反射體粗糙、無光澤表面，如紙張、石灰粉刷的白墻等16漫反射模型(2/4)Lambert余弦定律在點(diǎn)光源照射下的光的反射規(guī)律IdealDiffuseReflectors

漫反射光強(qiáng)度同入射光與物體表面法向之間夾角的余弦成正比

點(diǎn)光源所發(fā)出的入射光的光強(qiáng)入射光與物體表面法向之間的夾角漫發(fā)射系數(shù)或漫反射率，取決于物體表面材質(zhì)的屬性景物表面在被照射點(diǎn)處的漫反射光的光強(qiáng)17漫反射模型(3/4)特點(diǎn)：對光線沿各個方向作同等光強(qiáng)的散射各點(diǎn)反射光的強(qiáng)度只與…有關(guān)點(diǎn)光源強(qiáng)度、入射角物體表面的反射系數(shù)物體各面的朝向而與…無關(guān)觀察者的觀察位置18漫反射模型(4/4)將環(huán)境光與漫反射結(jié)合起來例子19鏡面反射模型（1/10）SpecularReflection是物體外表面對入射光的直接反射非漫反射體有光澤的表面，如光滑的塑料、擦亮的金屬等高光區(qū)域highlight物體表面越光滑，高光區(qū)越小，越亮20理想的鏡面反射純鏡面入射光嚴(yán)格遵循光的反射定律單向地反射出去

理想鏡面反射LNPRV鏡面反射模型（2/10）21非理想鏡面反射一般光滑表面在微觀上物體表面面元是由許多朝向不同的微小平面組成其鏡面反射光分布于物體鏡面反射方向的周圍LNPR粗糙表面的鏡面反射一般光滑表面鏡面反射LNPR鏡面反射模型（3/10）

光滑表面的鏡面反射范圍較小粗糙的物體表面反射范圍較大22鏡面反射模型（4/10）鏡面反射光特點(diǎn)空間分布具有一定方向性朝空間一定方向匯聚沿鏡面反射的主方向最強(qiáng)在該方向四周逐漸衰減形成一定的空間分布光強(qiáng)不僅取決于入射光和表面材料，還與觀察方向有關(guān)觀察者只有位于一定的方向上，才能看到當(dāng)視點(diǎn)位于鏡面反射方向附近時，鏡面反射光光強(qiáng)較強(qiáng)，反之較弱，甚至觀察不到具有與入射光相同的性質(zhì)當(dāng)白光照射在藍(lán)色物體上時，高光仍為白色，不是藍(lán)色LNPR鏡面反射23鏡面反射模型（5/10）1973年，PhongBuiTuong（博士論文）提出Phong鏡面反射模型簡稱Phong模型計(jì)算鏡面反射光光強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式24鏡面反射模型（6/10）Phong模型采用余弦函數(shù)的冪次模擬一般光滑表面的鏡面反射光光強(qiáng)的空間分布觀察者觀察到的鏡面反射方向上的鏡面反射光光強(qiáng)入反射光的光強(qiáng)物體表面的鏡面反射系數(shù)，入射角和入射光波長的函數(shù)鏡面反射方向與視線方向的夾角稱為鏡面高光指數(shù)25鏡面反射模型（7/10）鏡面高光指數(shù)用于模擬鏡面反射光在空間的會聚程度由物體表面材質(zhì)的光滑程度決定26鏡面反射模型（8/10）鏡面高光指數(shù)較光滑的物體表面（如金屬、玻璃等）光強(qiáng)的空間分布較集中，高光范圍較小宜取較大的值（大于100或更大）粗糙的物體表面（如紙張、木材、粉筆等）光強(qiáng)的空間分布較分散，高光范圍較大宜取較小的值（小于或接近于1）27鏡面反射模型（9/10）Phong光照明模型為計(jì)算方便，R的計(jì)算，用H*N代替，鏡面高光分量可改寫成

漫反射光分量泛光鏡面高光分量LiNRiV

iθiθiPHi28真實(shí)感圖形學(xué)中提出的第一個有影響的光照明模型存在問題顯示出的物體（如塑料）沒有質(zhì)感環(huán)境光是常量，沒有考慮物體之間相互的反射光鏡面反射的顏色是光源顏色，與物體的材料無關(guān)鏡面反射的計(jì)算在入射角很大時會產(chǎn)生失真鏡面反射模型（10/10）29采用多個光源采用m個光源的光照明方程產(chǎn)生的光線性疊加30透明模型透明物體如玻璃杯、花瓶、水不但會反射光，還會透射光可通過它看到它背后的物體簡單透明模型考慮折射的透明模型31簡單透明模型精確模擬折射現(xiàn)象需要大量計(jì)算，很費(fèi)時簡單透明模型不考慮折射的影響假設(shè)各物體間的折射率不變折射角總是等于入射角32簡單透明模型簡單透明模型插值透明Newell和Sanche提出不考慮折射的簡單的透明模型透明物體I1I2第一個物體表面的透明度0:表示完全透明1:表示不透明33簡單透明模型簡單透明模型過濾透明不考慮折射的簡單的透明模型透明物體I1I2越大顏色透射得越多與顏色相關(guān)的系數(shù)34簡單透明模型若第二個物體表面也是透明面上述算法可以遞歸地進(jìn)行下去直到遇到一個不透明面或背景時為止好處加速了光強(qiáng)度的計(jì)算對較薄的多邊形表面也可生成合理的透明效果一般的隱面消除算法均適用于模擬不考慮折射的透明效果適應(yīng)性線性近似算法不適用于曲面物體因?yàn)樵谇娴膫?cè)影輪廓線上，材料的厚度減少了透明度如花瓶的輪廓線邊緣處35多邊形繪制方法均勻著色光滑著色Gouraud著色方法Phong著色方法插值著色方法存在的問題36多邊形繪制方法均勻著色方法任取多邊形上一點(diǎn)，利用光照明方程計(jì)算出它的顏色用這個顏色填充整個多邊形適合于如下情況光源在無窮遠(yuǎn)處視點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處多邊形是物體表面的精確表示37多邊形繪制方法均勻著色優(yōu)點(diǎn)每個多邊形只需計(jì)算一次光照明方程，速度快缺點(diǎn)相鄰多邊形顏色過渡不光滑用多邊形網(wǎng)格來逼近和表示曲面時，曲面光照效果就呈現(xiàn)不連續(xù)的光亮度跳躍變化，產(chǎn)生馬赫帶效應(yīng)38多邊形表示的明暗處理（1/7）解決方法用盡可能小的多邊形來逼近和表示曲面使光照效果中存在的不連續(xù)的光亮度跳躍變化小于人類視覺的分辨率光滑著色顏色插值,Gouraud明暗處理法矢量插值,Phong明暗處理39

Gouraud明暗處理多邊形內(nèi)部各點(diǎn)顏色的獲得對頂點(diǎn)顏色雙線性插值

亮度雙線性插值掃描線x231ypab4多邊形表示的明暗處理（2/7）40

Gouraud明暗處理步驟

對多邊形網(wǎng)格中的每一個多邊形：

1）計(jì)算多邊形的單位法矢量；

2）計(jì)算多邊形頂點(diǎn)的單位法矢量；

3）利用光照模型計(jì)算頂點(diǎn)的顏色；

4）在掃描線消隱算法中對多邊形頂點(diǎn)顏色進(jìn)行雙線性插值獲得位于多邊形內(nèi)掃描線上各點(diǎn)的顏色多邊形表示的明暗處理（3/7）N1N4NvN3N2V計(jì)算頂點(diǎn)的法向量41多邊形表示的明暗處理（3/7）

表面法向量的計(jì)算多邊形平面的法向量根據(jù)其平面方程的系數(shù)決定平面內(nèi)所有點(diǎn)的法向量是相同的多邊形平面在頂點(diǎn)處的法向量可取包圍該頂點(diǎn)的各多邊形平面法向量的平均值模長單位化42多邊形表示的明暗處理（3/7）表面法向量的計(jì)算多邊形平面方程未知，多邊形以頂點(diǎn)和棱邊存儲頂點(diǎn)處的法向量可取交于此頂點(diǎn)的各棱邊叉積的平均值NV﹦VV1

VV2﹢VV2

VV3﹢VV3

VV4﹢VV4

VV1需進(jìn)行模長單位化優(yōu)點(diǎn)簡單易行，計(jì)算量小只需已知頂點(diǎn)的法向量43缺點(diǎn)只適用于簡單的漫反射光照模型不能正確模擬鏡面反射高光形狀用于動態(tài)顯示物體時物體表面明暗以不規(guī)則方式進(jìn)行變化，高光問題線性光強(qiáng)度插值引起的Mach-band效應(yīng)光亮度變化不連續(xù)的邊界處出現(xiàn)過亮或過暗的條紋公共頂點(diǎn)處顏色不連續(xù)，頂點(diǎn)方向不具代表性多邊形表示的明暗處理（4/7）44

Phong明暗處理多邊形內(nèi)部各點(diǎn)法矢量的獲得對頂點(diǎn)法矢量雙線性插值多邊形表示的