点光源的光照模型合并
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光照模型光源类型定向光当⼀个光源很远的时候，来⾃光源的每条光线接近于平⾏。
这看起来就像所有的光线来⾃于同⼀个⽅向，⽆论物体和观察者在哪⼉。
当⼀个光源被设置为⽆限远时，它被称为定向光(Directional Light)，因为所有的光线都有着同⼀个⽅向；它会独⽴于光源的位置。
//光源位置第四个参数 0.0 平⾏光 1.0 点光源light->setPosition(osg::Vec4(0.0, 0.0, 0.0, 0.0));//光源⽅向light->setDirection(osg::Vec3(0.0, 0.0, -1.0));点光点光是⼀个在时间⾥有位置的光源，它向所有⽅向发光，光线随距离增加逐渐变暗。
//光源位置第四个参数 0.0 平⾏光 1.0 点光源light->setPosition(osg::Vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0));//设置恒定衰减系数light->setConstantAttenuation(1.0);//设置⼀次衰减系数light->setLinearAttenuation(0.7);//设置⼆次衰减系数light->setQuadraticAttenuation(1.8);聚光聚光是⼀种位于环境中某处的光源，它不是向所有⽅向照射，⽽是只朝某个⽅向照射。
结果是只有⼀个聚光照射⽅向的确定半径内的物体才会被照亮，其他的都保持⿊暗。
//光源位置第四个参数 0.0 平⾏光 1.0 点光源light->setPosition(osg::Vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0));//光源⽅向light->setDirection(osg::Vec3(0.0, 0.0, -1.0));//光强度分布light->setSpotExponent(1.0);//扩散⾓light->setSpotCutoff(45.0);光照基础冯⽒光照模型(Phong Lighting Model)的主要结构由3个元素组成：环境(Ambient)、漫反射(Diffuse)和镜⾯(Specular)光照。
光照模型
S
N
S R V
简单光照模型-镜面反射
• 镜面反射光特点
– 空间分布具有一定方向性 – 光强不仅取决于入射光和表面材料，还与观察方向
有关 – 具有与入射光相同的性质
N R L
P
镜面反射
简单光照模型-Phong光照模型
• 简单光照模型模拟物体表面对光的反射 作用,光源为点光源 • 反射作用分为
• 1975年，Phong提出图形学中第一个有影
简单光照模型-Phong光照模型
• Phong光照模型的综合表述：由物体表面上 一点P反射到视点的光强I为环境光的反射 光强Ie、理想漫反射光强Id、和镜面反射光 Is的总和。
I Ie Id Is
I a Ka I p [ Kd ( L N ) K s (V R)n ]
考虑周围环境对当前景物表面的光照影
响，忽略了光在环境景物之间的传递，
很难表现自然界复杂场景的高质量真实
感图形。为了增加图形的真实感，必须
考虑环境的漫射、镜面反射和规则投射
对景物表面产生的整体照明效果。
7.3.6 整体光照模型
• 物体表面入射光的构成
（1）光源直接照射
（2）其它物体的反射光 （3）透射光
• 点光源的照射：在物体的不同部分其亮度也
不同，亮度的大小依赖于物体的朝向及它与点光源 之间的距离.
简单光照模型-漫反射角度余弦的推导
• 漫反射
– 粗糙、无光泽物体（如粉笔）表面对光的反射 – 光照方程
I d I p K d cos
[0, ]
2
• I d 漫反射的亮度 • I p 点光源的亮度
N
R L
N
第10章_光照模型与面绘制算法
0o ≤ φ ≤θ l
αl
Vlight
al φ
衰减指数 衰减角度
光 源 由方向点光源照明的对象
θl
方向光角强度衰减式子
1.0 f ang (φ ) = 0.0 (Vobj ⋅Vlight ) al
对象上某点位于光锥的轴线上 对象位于光锥之外 其他
光照明方程：
I = I a K a + f (d ) f ang I p [ K d ( L ⋅ N ) + K s (V ⋅ R ) ns ]
1）从光源到物体表面的过程中的衰减 2）从物体表面到人眼过程中的衰减 总的效果：物体表面的亮度降低
• 光照明方程
1）有效衰减函数的加入 2）深度暗示技术的加入
• 加入光的衰减
– 光在光源到物体表面过程中的衰减 光强按 1/d2 进行衰减： 缺点：当d很大时，变化很小；当d很小时，变化很大。
•衰减函数 •光照明方程
R V
• 非理想镜面反射亮度光照明方程：
I s = I p K s cos ns ϕ = I p K s (V ⋅ R) ns
• 镜面反射
– Ip为点光源的亮度 – Ks是与物体有关的镜面反射系数。
I s = I p K s cos ns ϕ
– Is为镜面反射光强，Is随ω的增大而衰减。
– ns为镜面反射参数，ns 的取值与物体表面粗糙程度有关。
S 0 = Sb +
S f − Sb Z f − Zb
(Z 0 − Zb )
原亮度I按比例S0与背景亮度Idc混合，目的是获得最 终用于显示的亮度I’，Idc由用户指定
I ′ = S 0 I + (1 − S 0 ) I dc
计算机图形学中的光照模型
计算机图形学中的光照模型在计算机图形学中，光照模型是模拟现实世界中光线与物体之间相互作用的模型。
通过使用光照模型，计算机可以在虚拟场景中模拟光线的传播和反射，从而创建出真实感和逼真感的图像。
因此，光照模型是计算机图形学中非常重要的一个组成部分。
光照模型的基本原理是从光源发出的光线经过物体表面的反射、折射和透射等变换，最终到达观察者的眼睛，从而形成人们所看到的图像。
在光照模型中，光源可以是点光源、定向光源和面光源等不同类型的光源，而物体的材质属性和表面形状也会对光线的传播和反射产生影响。
常见的光照模型包括冯氏光照模型、布林-菲菲（Blinn-Phong）光照模型、库克-托伯汉姆（Cook-Torrance）光照模型等。
下面，我们分别对这三种光照模型进行介绍。
冯氏光照模型是最早被提出的光照模型之一，它是由斯特恩伯格（Phong）在上世纪70年代提出的。
冯氏光照模型假设物体表面的亮度与其漫反射和镜面反射成分的线性组合有关。
其中，漫反射成分是从各个方向均匀地反射出来的光线，而镜面反射成分则是由光源直接反射回观察者的光线。
冯氏光照模型还考虑了环境光的影响，该影响是由光源外发射的光线在场景中反射和折射，并最终到达物体表面的。
布林-菲菲光照模型是另一种常用的光照模型，它是由布林（Blinn）和菲菲（Phong）在上世纪80年代提出的。
相比于冯氏光照模型，布林-菲菲光照模型增加了一个半角向量的概念。
半角向量是入射光线和出射光线的平均方向，它可以更加准确地描述物体表面的反射特性。
此外，布林-菲菲光照模型还加入了柔光和高光衰减等特性，从而使得被渲染的图像更加真实。
库克-托伯汉姆光照模型是一种物理模拟的光照模型，它是由库克（Cook）和托伯汉姆（Torrance）在上世纪80年代提出的。
该光照模型基于微观的物理原理，考虑了光线与物体表面微观结构之间的相互作用。
库克-托伯汉姆光照模型因其真实感和准确性而被广泛应用于计算机图形学、计算机游戏等领域。
第三章光照模型纹理映射
第三章光照模型及纹理映射基本光照模型1.在现实生活中，当光照在非透明物体上时，部分光线被物体吸收，剩余的部分光线被反射。
人眼依靠这种反射光来感知物体的形状、颜色和其他细节。
从光源投向物体的光称为入射光，从物体表面反射回的光称为反射光。
1.1光照模型概述当光照射到物体表面上时，将出现3种情况：●光从物体表面反射，形成反射光●光穿透物体，形成透射光●光被物体吸收，转化成为物体的内能在上述三种情形的光线中，通常只有前2种情形的光线会对人眼产生视觉效果，使人察觉到物体的色彩变化。
OpenGL用一种近似的光照模型模拟现实世界的光照效果。
在该模型中，仅当物体表面吸收和反射光线时，光源才会起做作用。
每一个物体表面都假定是由某种特性的材料构成的。
一种材料可能发出自己的光线，也可能在各个方向上发散一些射入的光线，还有可能像镜子一样在某个方向强烈地反射入射光。
1.2光照分量在OpenGL的简化光照模型中，将光照分为4个独立的组成部分：辐射光、环境光、漫反射光和镜面反射光。
1）辐射光辐射光是直接从物体或光源发出的，不受任何其他光源的影响。
2）环境光环境光是这样一种光线，它被环境多次反射，以致于连初始方向也难以确定。
这种光线看起来就像来自于所有的方向，当它照在一个物体表面时，它在所有的方向上等量地反射。
3）漫反射光在被照射物体表面的反射光中，那些均匀地向各个方向反射出去的光，称为漫反射光，如黑板反射就属于漫反射光4）镜面反射光镜面反射光是指超一定方向的反射光，如点光源照射光滑金属球表面时，会在球表面形成一个特别亮的区域，呈现所谓的高亮(Highlight>，这就是光源在该物体表面形成的镜面反射光(SpecularLight>。
点光源照射表面光滑的物体时，高亮区域小而亮；而点光源照射表面粗糙的物体时，高亮区域大而不亮。
1.3创建光源光源有许多特性，如颜色、位置、方向等。
不同特性的光源，作用在物体上的效果是不一样的。
9.2简单光照模型
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一、Phong光照模型
在实际的应用中，由于Phong光照模型是一个经验模型， 因此还具有以下的一些问题： –显示出的物体象塑料，无质感变化 –没有考虑物体间相互反射光 –镜面反射颜色与材质无关 –镜面反射入射角大，会产生失真现象
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三、背景物理知识
镜面反射光：一束光照射到一面镜子上或不绣钢的表面，光 线会沿着反射光方向全部反射出去，这种叫镜面反射光。 折射光：比如水晶、玻璃等，光线会穿过去一直往前走。 吸收光：比如冬天晒太阳会感觉到温暖，这是因为吸收了太 阳光。
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二、光照模型的发展演化
1、早期发展 1967年，Wylie等人第一次在显示物体时加进光照效果， 认为光强与距离成反比。 1970年，Bouknight提出第一个光反射模型：Lambert漫 反射＋环境光（第一个可用的光照模型）。这篇文章发表 在 Communication of ACM 上。 1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的思想（漫反射 的意思是光强主要取决于入射光的强度和入射光与法线的夹 角）发表在 IEEE Transactions on Computers 上。 1975年，Phong提出图形学中第一个最有影响的光照明模型 。在漫反射模型的基础上加进了高光项。
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三、背景物理知识
1、光的传播规律 反射定律：入射角等于反射角，而且反射光线、入射光 线与法向量在同一平面上。
环境光光照算法 公式(一)
环境光光照算法公式(一)环境光光照算法公式1. 光照计算公式•Lambert光照模型公式该模型用于计算漫反射光照的强度，公式为：I = Ia * Ka + Id * Kd * (N • L)其中，I为最终的光照强度，Ia为环境光照强度，Ka为环境光照系数，Id为光源的强度，Kd为漫反射系数，N为表面法线向量，L 为光源方向向量。
2. 光源计算公式•平行光光源计算公式平行光源是一种无限远处光源，可以近似看作光线方向不变且光线平行的光源。
计算公式为：L = -D其中，L为光源方向向量，D为光线方向向量。
由于平行光源的光线方向与光源位置无关，因此可以将光源方向向量定义为光线方向向量取反。
•点光源计算公式点光源是一种光源，可以近似看作来自于一个点的光线。
计算公式为：L = normalize(P - S)其中，L为光源方向向量，P为表面点的坐标向量，S为光源位置向量。
通过将表面点的坐标向量减去光源位置向量，再对结果进行归一化，即可得到光源方向向量。
3. 法线计算公式•顶点法线计算公式顶点法线用于描述表面在顶点处的方向。
计算公式为：= normalize(N1 + N2 + N3)其中，`为顶点的法线向量，N1、N2、N3`为该顶点所属的三角形的法线向量。
•插值法线计算公式插值法线用于描述表面在顶点之间的方向。
计算公式为：= normalize((1 - b - c) * N1 + b * N2 + c * N3)其中，`为顶点的法线向量，N1、N2、N3为该顶点所属的三角形的法线向量，b和c`为插值参数。
插值参数的计算通常通过对顶点之间的相对位置进行插值得到。
示例解释假设有一个球体，球体表面带有纹理，纹理中的每一个顶点都有对应的法线向量。
为了在渲染时计算球体表面的光照效果，我们可以使用以上提到的光照计算公式和法线计算公式。
首先，我们计算球体上每个顶点的法线向量，可以使用顶点法线计算公式或插值法线计算公式。
计算机视觉中的光照模型与处理方法
计算机视觉中的光照模型与处理方法计算机视觉是计算机科学领域中的一个重要分支，它通过模拟人类视觉系统的方式，利用计算机来处理图像、视频等数据，以实现对物体、场景的自动识别、定位、跟踪等任务。
然而，计算机视觉面临的一个重要挑战就是光照变化的影响。
在不同的场景中，同一物体的颜色、形状等特征都可能发生变化，这就需要计算机视觉系统能够处理光照变化对图像数据的影响。
本文将介绍计算机视觉中的光照模型与处理方法。
一、光照模型光照模型是计算机图形学和计算机视觉领域中的重要概念，它用于描述物体表面反射光线的方式。
在计算机视觉中，通常采用以下几种光照模型：1. 环境光照模型环境光照模型用于描述物体表面周围环境的光照情况，它假设物体表面反射的光线来自于均匀分布的环境光。
这种光照模型在实际应用中较少使用，因为它无法处理复杂的光照情况。
2. 点光源光照模型点光源光照模型假设光源是无限小的点，其光线可以沿任意方向传播。
这种光照模型可以用于描述明亮的光源照射在物体表面上时的光照效果，但在实际应用中，物体表面反射的光线可能会被其他物体或场景的反射光影响，因此效果不理想。
3. 平行光源光照模型平行光源光照模型假设光源是无限远的、发出平行光线的光源。
这种光照模型适用于描述阳光等远距离照射物体表面的情况。
4. 聚光灯光照模型聚光灯光照模型是一种复合光照模型，它可以用于描述聚光灯照射下物体表面的局部光照情况。
聚光灯光源可以用来模拟各种灯光，如手电筒、车前灯等。
二、光照处理方法在计算机视觉中，光照变化对图像数据的影响是不可避免的。
为了减少光照变化对图像处理的影响，可以采用以下几种光照处理方法：1. 直方图均衡化直方图均衡化是一种光照处理方法，它通过对图像的像素值进行统计和处理，使得图像的灰度级分布更加均匀，从而增强图像的对比度。
直方图均衡化可以有效减少光照变化对图像处理的影响，但它也有一些缺点，如可能会导致图像噪声增加、细节丢失等问题。
2. 彩色校正彩色校正是一种针对光照变化对图像色彩的影响，进行颜色纠正的方法。
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I I Ambient I Diffuse I Specular k a I a I l [k d ( N L) k s ( N H ) ns ]
i 1
n
第十章
5
§ 10.2 明暗处理
明暗处理就是利用光照模型来计算物体表面的光强度。 对于单个点光源，物体表面上某点处的光照模型为：
I I Ambient I Diffuse I Specular ka I a kd I l ( N L) k s I l ( N H ) ns
Ia , Il ：为环境光强度和光源强度 ka , kd , ks , ns ：和物体பைடு நூலகம்材质属性有关
L, H N
N q
I Diffuse k d I l cos q
其中 I l 为光源的强度，参数 k d 在0 与1之间，为漫反射的系数。
N L N L cos q cos q
I Diffuse k d I l ( N L)
第十章
3
三、镜面反射（Specular reflection）: 图中用R表示一个理想镜面反射方向的单位向量，L表示指向光源的 单位向量，V为指向观察点的单位向量，角度 j 是V与R之间的夹角。 Phong镜面反射模型：
第十章
4
环境光
环境光＋漫反射
环境光＋漫反射＋镜面反射
图10-1 光照模型
四、点光源的光照模型合并: 对于单个点光源，物体表面上某点处的光照模型为：
I I Ambient I Diffuse I Specular ka I a kd I l ( N L) k s I l ( N H ) ns
一、Flat shading:
：与该点的位置有关 ：该点处的法向量
该方法中物体每个多边形上所有点都采 有相同的法向量：所在平面的法向量。对于 每一个多边形，只需根据其平面法向量计算 一次光强度，多边形上每个可见点均按这个 光强度进行显示。 第十章 6
N1 V
N2
N
3
N4
NV
N k
M
采用Phong shading，曲面光滑
第十章
8
I Specular k s I l cos j
ns
N
H q j R 观察点 V
光源
L q
其中 I l 为光源的强度，参数 k s 在0 n s 为镜 与1之间，为镜面反射的系数， 面反射参数。
cos j V R I Specular k s I l (V R) ns ks I l ( N H )ns
第十章
7
二、Gouraud shading:
计算各个多边形顶点处的平均单位法向量； 对多边形顶点根据光照模型计算该点光强度； 在多边形表面上，将顶点光强度进行线性插值， 得到各点的光强度。
采用Gouraud shading，曲面比较光滑
三、Phong shading:
计算各个多边形顶点处的平均单位法向量； 在多边形表面上，将顶点法向量进行线性插值， 得到各点法向量； 根据光照模型计算多边形表面上各点的光强度。
N k
k 1
k 1 M
采用Flat shading，曲面不光滑
二、Gouraud shading:
计算各个多边形顶点处的平均单位法向量； 对多边形顶点根据光照模型计算该点光强度； 在多边形表面上，将顶点光强度进行线性插值， 得到各点的光强度。
采用Gouraud shading，曲面比较光滑
一、环境光（Ambient light）: 一个物体表面即使不直接暴露在光源下，只要其周围的物体被照 亮，它也可能看得见，称为环境光。环境光没有空间或方向上的特征， 在所有方向上和所有物体表面上投射的环境光数量都恒定不变。 物体表面上某点的环境光强度可用公 式表示为：
I Ambient k a I a
第十章 光照模型与面绘制算法
10.1 基本光照模型
10.2 明暗处理
第十章
1
§ 10.1 基本光照模型
当光照到物体表面时，物体对光会发生反射(Reflection)、吸收 (Absorption)、折射(Transmission)和干涉(Interference)等。为物 体的光照效果建立模型是一个非常复杂的过程，计算机图形学中通常 采用数学经验模型来替代复杂的物理模型。
其中 I a 表示场景中的环境光的大小， ka 为环境光反射的系数。
第十章
2
二、漫反射（Diffuse reflection）:
粗糙的物体表面往往将入射光向各个方向反射，这种光线的散射 现象称为漫反射。假定物体为理想漫反射体，即光线被物体表面漫反 射后向各个方向以同等光强度发散，而与观察方向无关。 物体表面上某点的漫反射光强度可 用公式表示为： 光源 L