1、南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,第十章 真實(shí)感圖形繪制,簡(jiǎn)單光照明模型 多邊形繪制方法 透明 整體觀照明模型 光線跟蹤算法,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,第十章 真實(shí)感圖形繪制,光照模型(Illumination Model):計(jì)算某一點(diǎn)的光強(qiáng)度的模型,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,真實(shí)感圖形的特點(diǎn),能反映物體表面顏色和亮度的細(xì)微變化 能表現(xiàn)物體表面的質(zhì)感 能通過(guò)光照下的物體陰影，極大地改善場(chǎng)景的深度感和層次感，充分體現(xiàn)物體間的相互遮擋關(guān)系 能模擬透明物體的透明效果和鏡面物體的鏡面效果,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,影響觀察者看到的表面顏色的因素,物體的幾何形狀

2、光源 位置、距離、顏色、數(shù)量、強(qiáng)度、種類 環(huán)境 遮擋關(guān)系、光的反射與折射、陰影 視點(diǎn)位置 物性 材料、顏色、透明度 折射性 表面光潔度,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,光源,幾何性質(zhì) 點(diǎn)光源 線光源 面光源 光譜組成 白色光等能量的各種波長(zhǎng)可見光的組合 彩色光 單色光,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,真實(shí)感圖形學(xué)早期發(fā)展,1967年，Wylie等人第一次在顯示物體時(shí)加進(jìn)光照效果，認(rèn)為光強(qiáng)與距離成反比。 1970年，Bouknight提出第一個(gè)光反射模型：Lambert漫反射環(huán)境光 1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的思想 1975年，Phong提出圖形學(xué)中第一個(gè)有影響的

3、光照明模型,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,相關(guān)物理知識(shí),光的傳播 反射定律：入射角等于反射角，而且反射光線、入射光線與法向量在同一平面上,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,折射定律,折射定律：折射線在入射線與法線構(gòu)成的平面上，折射角與入射角滿足,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,能量關(guān)系,在光的反射和折射現(xiàn)象中的能量分布： 下標(biāo)為i,d,s,t,v的能量項(xiàng)分別表示為入射光強(qiáng)，漫反射光強(qiáng)，鏡面反射光強(qiáng)，透射光強(qiáng)，吸收光強(qiáng) 能量是守恒的,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型,模擬物體表面的光照明物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型光照明模型 簡(jiǎn)單光照明模型亦稱局部光照明模型，其假定物

4、體是不透明的，只考慮光源的直接照射，而將光在物體之間的傳播效果籠統(tǒng)地模擬為環(huán)境光。 可以處理物體之間光照的相互作用的模型稱為整體光照明模型,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型,光照射到物體表面，主要發(fā)生： 反射 透射（對(duì)透明物體） 部分被吸收成熱能 反射光，透射光決定了物體所呈現(xiàn)的顏色,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-環(huán)境光,假定物體是不透明的（即無(wú)透射光） 環(huán)境光：在空間中近似均勻分布，即在任何位置、任何方向上強(qiáng)度一樣,記為Ia 環(huán)境光反射系數(shù)Ka：在分布均勻的環(huán)境光照射下，不同物體表面所呈現(xiàn)的亮度未必相同，因?yàn)樗鼈兊沫h(huán)境光反射系數(shù)不同。 光照明方程（

5、僅含環(huán)境光）： Ie = KaIa Ie為物體表面所呈現(xiàn)的亮度。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型- 環(huán)境光例子,具有不同環(huán)境光反射系數(shù)的兩個(gè)球,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-環(huán)境光,缺點(diǎn)：雖然不同的物體具有不同的亮度，但是同一物體的表面的亮度是一個(gè)恒定的值，沒有明暗的自然過(guò)度。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型,考慮引入點(diǎn)光源。 點(diǎn)光源：幾何形狀為一個(gè)點(diǎn)，位于空間中的某個(gè)位置，向周圍所有的方向上輻射等強(qiáng)度的光。記其亮度為Ip 點(diǎn)光源的照射：在物體的不同部分其亮度也不同，亮度的大小依賴于物體的朝向及它與點(diǎn)光源之間的距離.,南昌大學(xué)

6、信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型：-漫反射角度余弦的推導(dǎo),漫反射 粗糙、無(wú)光澤物體（如粉筆）表面對(duì)光的反射 光照明方程 漫反射的亮度 點(diǎn)光源的亮度 漫反射系數(shù) 入射角 漫反射光的強(qiáng)度 只與入射角有關(guān),南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-漫反射,將環(huán)境光與漫反射結(jié)合起來(lái) 一般取Ia= (0.020.2)Id 例子,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-漫反射,缺點(diǎn)：對(duì)于許多物體，使用上式計(jì)算其反射光是可行的，但對(duì)于大多數(shù)的物體，如擦亮的金屬、光滑的塑料等是不適用的，原因是這些物體還會(huì)產(chǎn)生鏡面發(fā)射。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型

7、-鏡面反射,鏡面反射 光滑物體（如金屬或塑料）表面對(duì)光的反射 高光 入射光在光滑物體表面形成的特別亮的區(qū)域,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-鏡面反射,理想鏡面反射 觀察者只能在反射方向上才能看到反射光，偏離了該方向則看不到任何光。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-鏡面反射,非理想鏡面反射 P為物體表面上一點(diǎn)，L為從P指向光源的單位矢量，N為單位法矢量，R為反射單位矢量，V為從P指向視點(diǎn)的單位矢量,光滑平面,I = Ip K scosna,鏡面,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-鏡面反射,鏡面反射 Is為鏡面反射光強(qiáng)。 點(diǎn)光源的亮度

8、 Ks是與物體有關(guān)的鏡面反射系數(shù)。n為鏡面反射指數(shù)，n越大，則Is隨a的增大衰減的越快。 n的取值與表面粗糙程度有關(guān)。 n越大，表面越平滑（散射現(xiàn)象少，稍一偏離，明暗亮度急劇下降） n越小，表面越毛糙（散射現(xiàn)象嚴(yán)重）,或,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-鏡面反射,反射方向計(jì)算 L在N上的投影矢量為Ncosu，則S+L= Ncosu 記矢量S= Ncosu -L 則有R= Ncosu +S,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-Phong光照明模型,簡(jiǎn)單光照明模型模擬物體表面對(duì)光的反射作用,光源為點(diǎn)光源 反射作用分為 物體間作用用環(huán)境光(Ambient Li

9、ght) 漫反射(Diffuse Reflection) 鏡面反射(Specular Reflection),南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-Phong光照明模型,Phong光照明模型的綜合表述：由物體表面上一點(diǎn)P反射到視點(diǎn)的光強(qiáng)I為環(huán)境光的反射光強(qiáng)Ie、理想漫反射光強(qiáng)Id、和鏡面反射光Is的總和。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-Phong光照明模型的實(shí)現(xiàn),對(duì)物體表面上的每個(gè)點(diǎn)P，均需計(jì)算光線的反射方向。為了減少計(jì)算量，假設(shè)： 光源在無(wú)窮遠(yuǎn)處，L為常向量 視點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處，V為常向量 （HN）近似（RV），H為L(zhǎng)與V的平分向量,N,H,對(duì)所有的點(diǎn)總共

10、只需計(jì)算一次H的值，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-Phong光照明模型,Phong模型幾何,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減,光的衰減 兩個(gè)階段： 1）從光源到物體表面的過(guò)程中的衰減 2）從物體表面到人眼過(guò)程中的衰減 總的效果：物體表面的亮度降低 光照明方程 1）有效衰減函數(shù)的加入 2）深度暗示技術(shù)的加入,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減,光的衰減 光在光源到物體表面過(guò)程中的衰減 光強(qiáng)按 1/d2 進(jìn)行衰減： 缺點(diǎn)：當(dāng)d很大時(shí)，變化很小；當(dāng)d很小時(shí)，變化很大。 衰減函數(shù) 光照明方程,南昌大學(xué)信息

11、工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減,光在物體表面到人眼過(guò)程中的衰減 深度暗示（Depth Cueing）技術(shù)：最初用于線框圖形的顯示，使距離遠(yuǎn)的點(diǎn)比近的點(diǎn)暗一些。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，這種技術(shù)同樣適用于真實(shí)感圖形顯示。 設(shè)前參考面Z=Zf，后參考面Z=Zb；其比例因子分別為Sf和Sb（ Sf和Sb e0,1）。給定物體上一點(diǎn)的深度值Z0，該點(diǎn)對(duì) 應(yīng)的比例因子S0按如下 方式確定,前參考面,后參考面,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減,當(dāng)Z0 Zf時(shí)，取S0=Sf 當(dāng)Z0 Zf時(shí)，取S0 =Sb 當(dāng)Z0e Zb,Zf時(shí)，取 原亮度I按比例S0與融和亮度Idc混合，

12、目的是獲得最終用于顯示的亮度I，Idc由用戶指定，,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-光的衰減,特例： 取Sf=1,Sb=0,Idc=0，則當(dāng)物體位于參考面之前時(shí)，S0= Sf= 1，I=I，即亮度沒有被衰減。當(dāng)物體位于后參考面之后時(shí)， S0 = Sb =0， I=Idc=0，即亮度衰減為0。而當(dāng)Z0e Zb,Zf時(shí)，I=S0I，亮度被部分衰減。由此可以產(chǎn)生較好的效果。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-彩色場(chǎng)景的產(chǎn)生,產(chǎn)生彩色 選擇合適的顏色模型-RGB模型 為顏色模型中的每一種基色建立光照明方程,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-

13、彩色場(chǎng)景的產(chǎn)生,系數(shù)分解 上述各等式中，右端的矢量用來(lái)控制表面的基本顏色，當(dāng)選定了物體表面的顏色之后，它們就固定不變了。用戶通過(guò)調(diào)節(jié)Ka，Kd，Ks來(lái)改變表面的反射率。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-彩色場(chǎng)景的產(chǎn)生,新的光照明方程 統(tǒng)一表示,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-多個(gè)光源,采用多個(gè)光源 采用m個(gè)光源的光照明方程,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單光照明模型-多個(gè)光源,例子：其中a圖：線框圖 b圖：環(huán)境光 c圖：增加漫反射 d圖：增加鏡面反射 e圖：增加光的衰減 f圖：兩個(gè)點(diǎn)光源,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Phong光照

14、明模型的不足,Phong光照明模型是真實(shí)感圖形學(xué)中提出的第一個(gè)有影響的光照明模型 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，Phong模型存在不足： 顯示出的物體象塑料，無(wú)質(zhì)感變化 沒有考慮物體間相互反射光 鏡面反射顏色與材質(zhì)無(wú)關(guān) 鏡面反射大入射角失真現(xiàn)象,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,多邊形繪制方法,分類：均勻著色與光滑著色 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(gè)顏色填充整個(gè)多邊形 適用場(chǎng)合：1）光源在無(wú)窮遠(yuǎn)處； 2）視點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處； 3）多邊形是物體表面的精確表示；,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,多邊形繪制方法,缺點(diǎn)：產(chǎn)生的圖形效果不好。 如左圖：相鄰兩個(gè)多邊形的法向不同，

15、計(jì)算出來(lái)的顏色也不同，因此造成整個(gè)物體表面的顏色過(guò)渡不光滑。 如何解決？ 光滑著色，亦稱插值著色 Gouraud著色方法 Phong著色方法,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Gouraud著色方法,Gouraud于1971年提出，又被稱Gouraud明暗處理 基本思想：在每個(gè)多邊形頂點(diǎn)處計(jì)算顏色，然后在各個(gè)多邊形內(nèi)部進(jìn)行線性插值，得到多邊形內(nèi)部各點(diǎn)顏色。即它是一種顏色插值著色方法。 注意：Gouraud著色方法并不是孤立的處理單個(gè)多邊形，而是將構(gòu)成一個(gè)物體表面的所有多邊形（多邊形網(wǎng)格）作為一個(gè)整體來(lái)處理。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Gourand 著色方法,對(duì)多邊形網(wǎng)格中的每

16、一個(gè)多邊形，Gourand 著色處理分為如下四個(gè)步驟： 步驟 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,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,與某個(gè)頂點(diǎn)相鄰的所有多邊形的法向平均值近似作為該頂點(diǎn)的近似法向量 計(jì)算出的平均法向一般與該多邊形物體近似曲面的切平面比較接近,Gouraud著色方法-頂點(diǎn)法向計(jì)算,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Gourand 著色方法,3、利用光照明方程計(jì)算頂點(diǎn)光強(qiáng)（顏色） 4、對(duì)多邊形頂點(diǎn)光強(qiáng)（顏色）進(jìn)行雙線性插值，獲得多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的光強(qiáng)（顏色）,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Gourand 著色方法-光強(qiáng)插值,雙線性光強(qiáng)插值：假設(shè)

17、待繪制的三角形投影為P1P2P3,Pi的坐標(biāo)為(xi,yi),i=1,2,3；一條掃描線與三角形的兩條邊分別交于A(xA,yA),B(xB,yB)兩點(diǎn)。P(x,y)是AB上的一點(diǎn)。A點(diǎn)的顏色I(xiàn)A由P1、P2點(diǎn)的顏色I(xiàn)1、I2線性插值得到,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Gourand 著色方法-增量算法,采用增量算法可以加速計(jì)算。 1）當(dāng)掃描線y遞增一個(gè)單位變?yōu)閥+1時(shí)，IA、IB的增量分別為DIA ，DIB，即,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Gourand 著色方法-增量算法,2）當(dāng)x遞增一個(gè)單位時(shí)，IP的增量為DIP 即,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Gourand

18、著色方法,優(yōu)點(diǎn)：能有效的顯示漫反射曲面，計(jì)算量小 缺點(diǎn)： 1、高光有時(shí)會(huì)異常 2、當(dāng)對(duì)曲面采用不同的多邊形進(jìn)行分割時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的效果。 3、Gouraud明暗處理會(huì)造成表面上出現(xiàn)過(guò)亮或過(guò)暗的條紋，稱為馬赫帶（Mach_band）效應(yīng) 改進(jìn)Phong提出雙線性法向插值，以時(shí)間為代價(jià)，解決高光問(wèn)題,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Phong著色方法,基本思想：通過(guò)對(duì)多邊形頂點(diǎn)的法矢量進(jìn)行插值，獲得其內(nèi)部各點(diǎn)的法矢量，又稱為法向插值著色方法。 步驟 1、計(jì)算多邊形單位法矢量 2、計(jì)算多邊形頂點(diǎn)單位法矢量 3、對(duì)多邊形頂點(diǎn)法矢量進(jìn)行雙線性插值，獲得內(nèi)部各點(diǎn)的法矢量 4、利用光照明方程計(jì)算多邊形內(nèi)

19、部各點(diǎn)顏色,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Phong著色方法-法向插值,NA由N1、N2線性插值得到：,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Phong著色方法-增量算法,采用增量算法可以加速計(jì)算。 1）當(dāng)掃描線y遞增一個(gè)單位變?yōu)閥+1時(shí)，NA、NB的增量分別為DNA ，DNB，即,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Phong著色方法-增量算法,2）當(dāng)x遞增一個(gè)單位時(shí)，IP的增量為DIP 即,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Phong著色方法,優(yōu)點(diǎn)： Phong著色方法繪制的圖形比Gouraud方法更真實(shí)，體現(xiàn)在兩個(gè)方面：高光區(qū)域的擴(kuò)散，產(chǎn)生正確的高光區(qū)域 缺點(diǎn)： 1、Pho

20、ng著色方法計(jì)算量遠(yuǎn)大于Gouraud著色方法 2、在處理某些多邊形分割的曲面時(shí)，Phong算法還不如Gouraud算法好。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,增量式模型示例,牛的三角網(wǎng)格模型 用簡(jiǎn)單光照明模型顯示 用增量式光照明模型顯示,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,插值多邊形繪制方法,著色方法存在的問(wèn)題 不光滑的物體輪廓：物體邊緣輪廓是折線段而非光滑曲線,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,插值著色多邊形繪制方法,透視變形 方向依賴性,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,插值著色多邊形繪制方法,公共頂點(diǎn)處顏色不連續(xù) 頂點(diǎn)方向不具有代表性,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平

21、,透明,現(xiàn)實(shí)世界中有許多透明物體，如玻璃等。透過(guò)透明物體，可以觀察到其后面的景物。如何模擬這種透明效果呢？ 模擬透明的最簡(jiǎn)單的方法是忽略光線在穿過(guò)透明體時(shí)所發(fā)生的折射。雖然這種模擬方法產(chǎn)生的結(jié)果不真實(shí)，但在許多場(chǎng)合往往非常有用。例如：我們有時(shí)希望能夠看到透過(guò)某透明物體觀察其后面的景物，而又不希望景物應(yīng)為折射而發(fā)生變形。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,透明效果的簡(jiǎn)單模擬,不考慮透明體對(duì)光的折射以及透明物體本身的厚度 光通過(guò)物體表面不改變方向 產(chǎn)生簡(jiǎn)單透明效果的方法 插值透明方法 過(guò)濾透明方法,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單透明-插值透明,假設(shè)：多邊形1是透明的，它位于觀察者與

22、不透明的多邊形2之間。像素的顏色I(xiàn)l由A、B兩點(diǎn)的顏色I(xiàn)l1和Il2插值產(chǎn)生，即 其中Kt1是多邊形1的透射系數(shù)。 Kt1范圍（0，1） Kt1 =0表示多邊形完全不透明，所以Il = Il1 Kt1 =1表示多邊形完全透明，所以Il = Il2,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單透明-插值透明,為了產(chǎn)生逼真的效果，通常只對(duì)兩個(gè)多邊形表面顏色的環(huán)境光分量和漫反射分量采用 進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果再加上多邊形1的鏡面反射分量作為像素的顏色值。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單透明-過(guò)濾透明,過(guò)濾透明方法將透明物體看作一個(gè)過(guò)濾器，有選擇的允許某些光透過(guò)而屏蔽了其余的光。對(duì)右圖有： 其

23、中Kt1仍是多邊形1的透射系數(shù)，但不再局限于(01)。 Kt1越大，多邊形2的顏色透過(guò)來(lái)的越多。Ctl對(duì)不同的顏色各不相同。 Ctl =0表示某種顏色的光不能透過(guò)多邊形1。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,簡(jiǎn)單透明,無(wú)論采用插值透明方法還是采用過(guò)濾透明方法，當(dāng)多邊形1之前還有其它的透明多邊形時(shí)，Il都要遞歸計(jì)算。 簡(jiǎn)單透明比較容易結(jié)合到多邊形繪制算法中。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,考慮折射的透明,折射定律 其中：i ，t分別是入射光線在空氣，物體中的折射率，i 、t分別是入射角和折射角,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,考慮折射的透明-透射矢量的計(jì)算,設(shè)單位入射光矢量為I

24、（方向與光線的入射方向相反），單位法矢量為N，單位透射光矢量為T，則,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,考慮折射的透明,當(dāng)光線從高密度介質(zhì)向低密度介質(zhì)時(shí)，hiht,即qtqi。如果入射角不斷增大，到一定的程度，折射角qt =90度，此時(shí)透射光線沿著平行于分界面的方向傳播，稱此時(shí)的qi為臨界角度，記為qc 。當(dāng)qi qc時(shí)，發(fā)生全反射，透射與反射光合二為一。 如何產(chǎn)生帶有折射的透明效果呢？,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,光透射模型的研究,早期簡(jiǎn)單透射現(xiàn)象的模擬 1980年，Whitted光透射模型，首次考慮了光線的折射現(xiàn)象 1983年，在Whitted的基礎(chǔ)上，Hall光透射模型，考

25、慮了漫透射和規(guī)則透射光,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,整體光照明模型,簡(jiǎn)單光照模型（亦稱局部光照模型）不考慮周圍環(huán)境對(duì)當(dāng)前景物表面的光照明影響，忽略了光在環(huán)境景物之間的傳遞，很難表現(xiàn)自然界復(fù)雜場(chǎng)景的高質(zhì)量真實(shí)感圖形。為了增加圖形的真實(shí)感，必須考慮環(huán)境的漫射、鏡面反射和規(guī)則投射對(duì)景物表面產(chǎn)生的整體照明效果。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,整體光照明模型,物體表面入射光的構(gòu)成 （1）光源直接照射 （2）其它物體的反射光 （3）透射光 局部光照明模型僅考慮了（1）,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,整體光照明模型,例如：從視點(diǎn)觀察到的物體A表面的亮度來(lái)源于三方面的貢獻(xiàn)： （1）光

26、源直接照射到A的表面，然后被反射到人眼中的光產(chǎn)生的。 （2）光源或其它物體的光經(jīng)A物體折射到人眼中的光產(chǎn)生的。 （3）物體B的表面將光反射到物體A的表面，再經(jīng)物體A的表面反射到人眼中產(chǎn)生的。 局部光照明模型僅考慮了（1）,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Witted光照模型,Whitted光照模型基于如下假設(shè)： 物體表面向視點(diǎn)方向V輻射的光亮度Il由三部分組成： （1）光源直接照射引起的反射光亮度Ill。 （2）來(lái)自V的鏡面反射方向R的其它物體反射或折射來(lái)的光的亮度Isl。 （3）來(lái)自V的透射方向T的其它物體反射或折射來(lái)的光的亮度Itl,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Witted

27、光照模型,Witted光照模型：Il= Ill + Ks Isl + KtItl 或 Isl為鏡面反射方向的入射光強(qiáng)度；Ks為鏡面反射系數(shù)，為01之間的一個(gè)常數(shù) Itl為折射方向光強(qiáng)，Kt為透射系數(shù)，是0 1之間的常數(shù) Ill的計(jì)算可采用Phong模型 因此，關(guān)鍵是Is和It的計(jì)算。如何計(jì)算呢？,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,Witted光照模型-反射、折射方向計(jì)算,已知視線方向V，求其反射方向R與折射方向T（N是表面的法向方向） 視線V的反射方向R 折射方向T,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,光線跟蹤算法的基本原理,自然界中光線的傳播過(guò)程 光源物體表面物體表面 人眼 光線跟蹤過(guò)

28、程-光線傳播的逆過(guò)程,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,光線跟蹤算法的基本原理,從視點(diǎn)向每個(gè)象素發(fā)出一條光線，它與場(chǎng)景中的一些物體表面相交，最近的交點(diǎn)即為可見點(diǎn)，記為P，像素的亮度即由P點(diǎn)的亮度確定。由Whitted光照模型可知，P點(diǎn)的亮度由三部分組成：其中Ill可以直接由局部光照模型計(jì)算得到。,南昌大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 徐少平,光線跟蹤算法的基本原理,為了求Isl和Itl，從P點(diǎn)發(fā)出反射光線和透射光線，它分別交場(chǎng)景中的物體表面于Ps和Pt，Ps和Pt點(diǎn)的亮度即分別為Isl和Itl ，將它們求出代入Whitted模型即可。但是，Isl和Itl同樣由Whitted模型確定，即Whitted模型是一個(gè)遞歸式，從而計(jì)算Isl和Itl需要重復(fù)以上的計(jì)算過(guò)程:計(jì)算局部光亮度、發(fā)出反射光線與透射光