计算机图形学 11、明暗效应与光照模型解析
光照模型及明暗处理
– 明度(Luminance)
对应于光的亮度
计算机图形学基础
颜色纺锤体
• 颜色三特性的空间表示 • 垂直轴线表示白黑亮度变化 • 水平圆周上的不同角度点 代表了不同色调的颜色 • 从圆心向圆周过渡表示 同一色调下饱和度的提高
白
亮度
绿 蓝 蓝 绿 绿
蓝
紫 饱和度 红 橙
色调
平面圆形上的色调和饱和度不同， 而亮度相同
– 镜面反射(Specular Reflection) – 漫反射(Diffuse Reflection)
• 物体间作用用环境光(Ambient Light)表示
计算机图形学基础
Phong模型几何
L
N
H
R
V
P
计算机图形学基础
Phong模型的表示
• 理想漫反射
– 漫反射光均匀向各方向传播，与视点无关
值是正的）
计算机图形学基础
c xX yY zZ
色度图
• 复现颜色的三原色比例值是否唯一？
• 三刺激空间－用三原色的单位向量定 义三维颜色空间 • 颜色刺激表示为三刺激空间中以原点为起 点的向量，向量的方向代表颜色
计算机图形学基础
• 三刺激空间
G
G=1 Y
(x,y,z)
Q
色度平面
R
R=1
计算机图形学基础
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 • 1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的 思想 • 1975年，Phong提出图形学中第一个有影响 的光照明模型
计算机形学中的光照与阴影技术
计算机形学中的光照与阴影技术计算机形学是计算机科学中的一个分支，它研究的是如何使用计算机来生成、处理和呈现图像。
在计算机图形学中，光照和阴影技术是重要的技术之一。
本文将介绍计算机形学中的光照和阴影技术，以及这些技术在计算机图形学中的应用。
一、光照技术光照技术是计算机图形学中最基础的技术之一。
它的目的是在计算机上创建逼真的光照效果，使计算机生成的图像看起来更真实、更有立体感。
在计算机形学中，光照技术通常包括以下几个方面：1. 光源模型在光照技术中，光源模型是非常重要的。
通常，计算机图形学中的光源可以分为点光源和面光源两种。
点光源通常用于模拟小光源，比如灯泡等。
而面光源则用于模拟大型光源，比如太阳等。
在实际应用中，通常会根据实际需要来选择使用不同的光源模型。
2. 材质属性在计算机形学中，物体的材质属性也是非常重要的。
通常，物体的材质属性可以包括漫反射、镜面反射、环境反射等属性。
不同的材质属性会对光照效果产生不同的影响。
例如，具有高度镜面反射的物体会反射出更亮的光线，而漫反射较弱的物体则会反射出更暗的光线。
3. 阴影效果在光照效果中，阴影效果也是非常重要的。
阴影效果能够增强图像的立体感，使图像更加真实。
通常，阴影效果可以分为平面阴影和体积阴影两种。
平面阴影通常用于模拟平面物体的阴影效果，而体积阴影则用于模拟三维物体的阴影效果。
二、阴影技术阴影技术是计算机形学中的另一个核心技术。
它的主要目的是通过计算物体的阴影来增强图像的真实感和立体感。
在计算机形学中，常见的阴影技术包括以下几种：1. 物理阴影物理阴影是一种比较常见的阴影技术。
它是根据真实物理规律来模拟物体的阴影效果。
具体来说，物理阴影是通过计算光线和阴影体之间的交点来确定物体的阴影部分。
使用物理阴影技术可以得到非常逼真的阴影效果，但是计算量较大，不适合实时应用。
2. 阴影贴图阴影贴图是一种基于纹理映射的阴影技术。
它通过将生成的阴影图像作为纹理贴到物体表面上，从而模拟物体的阴影效果。
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。
计算机图形学名词解释
第一章：计算机图形学：怎样用计算机生成、处理和显示图像的学科。
图形：能够在人们视觉系统中形成视觉印象的对象称为图形，包括自然景物和人工绘图。
数字图像处理：针对图像进行各种加工以改善图像的效果,为图像分析做准备。
位图：显示屏幕上的矩形阵列的0,1表示。
图形：计算机图形学的研究对象，能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象，包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等像素：构成屏幕（图像）的最小元素。
分辨率：阴极射线管在水平或垂直方向单位长度上能识别的最大像素个数。
颜色查找表：是一维线性表、其每一项的内容对应一种颜色，其长度由帧缓存单元的位数决定。
作用：在帧缓存单元位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力；对颜色进行索引光栅扫描式图形显示器（画点设备）：帧缓存（数字设备）+寄存器+DAC（数模转换）+电子枪+光栅显示器（模拟设备）具有N个位面的帧缓存，颜色查找表至少有N位字宽（实际为W，W>N），有2n项，可同时显示2n个颜色（灰度级），总共可以有2w个。
（全色光栅扫描图形显示器/全色帧缓存：三种原色电子枪，每种原色的电子枪有8个位面，组合成224种颜色，帧缓存至少为24位，每组原色配一个颜色查找表）显卡作用：根据CPU提供的指令和有关数据将程序运行过程和结果进行相应处理、并转换成显示器能够接受的文字和图形显示信号，通过屏幕显示出来。
虚拟现实系统：由计算机生成的一个实时的三维空间。
虚拟现实系统的3I特性：沉浸（immersion）、交互（interaction）、想象（imagination）第二章：图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准。
前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。
（计算机图形接口（CGI）、计算机图元文件（CGM）、图形核心系统（GKS）、程序员层次交互式图形系统（PHIGS）、基本图形转换规范（IGES）、产品数据模型转换标准（STEP）、计算机图形参考模型（CGRM））图形系统标准的作用：方便不同系统间的数据交换；方便程序移植；硬件隔离，实现图形系统的硬件无关性。
计算机视觉中的光照效应
计算机视觉中的光照效应计算机视觉是计算机科学中的一个研究领域，它致力于让计算机能够感知和理解人类看到的世界。
其中一个重要的话题就是光照效应。
简言之，光照效应是指将三维场景中的物体表面颜色、细节等信息通过计算机图像处理技术，以二维方式呈现在计算机屏幕上的过程。
光照效应涉及到光源、物体、观察者和环境等因素，它能够模拟日光、白天、夜间、暴雨、亿光等不同环境下物体表面的变化，让计算机生成更加逼真的图像。
一、光照效应的原理光照效应的原理是照明原理，它描述了光源如何照亮物体表面，从而生成不同的阴影、反射及折射效应。
照明原理主要包括三个方面：光源的强度、物体表面的反射率及光线的方向。
其中，光源的强度决定了物体表面得到的光的数量；物体表面的反射率决定了光的入射角与反射角的关系，从而决定了反射的强度；光线的方向决定了入射角和反射角之间的夹角大小和方向，从而决定了反射的方向。
计算机视觉中使用的光照效应主要基于画不同的几何体。
不同的图形都需要借助不同的光照效应算法才能绘制出来。
对于平面结构的几何体，使用简单的几何算法便可绘制图形；但对于非平面结构的几何体，使用简单的算法则往往会显得力不从心，需要更加复杂的计算机视觉算法才可以得到逼真的效果。
二、常见的光照效应算法1. Lambert模型Lambert模型是一种用于模拟光源照射下物体表面亮度的算法，也被称为漫反射模型。
该模型假设物体表面各处的反射光亮度均等，而不受入射光的角度而改变。
该模型使用位置和方向向量描述光源和物体，以及法向量来表示物体表面的方向。
从法向量和入射光向量之间的cosine值中可以得到入射角度，从而推导反射光的强度。
2. Blinn-Phong模型Blinn-Phong模型也是用于模拟光源照射下物体表面亮度的算法。
该算法与Lambert模型不同之处在于，Blinn-Phong模型在雷达绘图中使用了反射光向量的半角向量作为光源。
从而使得光源的方向性更加真实，在高光部分会更显得柔和和光源的光照后效果更佳。
学习计算机图形学中的光照与阴影处理技术
学习计算机图形学中的光照与阴影处理技术在计算机图形学中，光照与阴影处理技术是非常重要的一部分。
通过模拟现实中的光照效果和阴影，可以使计算机生成的图像更加真实，增强视觉效果。
本文将介绍学习计算机图形学中的光照与阴影处理技术的基础知识和常用方法。
一、光照模型光照模型是计算机图形学中描述光照效果的数学模型。
常见的光照模型有局部光照模型和全局光照模型。
1. 局部光照模型局部光照模型是根据物体表面的法线向量、入射光线和视线方向来计算光照效果的模型。
其中，最常用的局部光照模型是Lambert光照模型和Phong光照模型。
Lambert光照模型假设光线均匀地照射在物体表面，不考虑镜面反射。
它的计算公式为：I = kd * (N · L) * Ia其中，I表示物体表面的最终颜色，kd表示物体表面的漫反射系数，N表示物体表面的法线向量，L表示入射光线的方向向量，Ia表示环境光的颜色。
Phong光照模型考虑了镜面反射，并在Lambert光照模型的基础上增加了镜面反射系数和高光反射指数。
它的计算公式为：I = kd * (N · L) * Id + ks * (R · V) * Is其中，ks表示物体表面的镜面反射系数，Id表示入射光的颜色，R表示反射光线的方向向量，V表示视线的方向向量，Is表示光源的颜色。
2. 全局光照模型全局光照模型考虑了光线在场景中的多次反射和折射，可以产生更真实的光照效果。
常用的全局光照模型有光线追踪和辐射度。
光线追踪是通过递归地跟踪光线的路径来模拟光照效果，而辐射度是通过求解光传输方程来计算光照效果。
二、阴影处理技术阴影处理技术可以模拟现实中物体之间及物体与光源之间的阴影效果，增强图像的真实感和立体感。
1. 平面阴影平面阴影是最简单的阴影处理技术之一，通过计算物体与平面之间的关系来生成阴影效果。
常用的平面阴影处理技术有阴影贴图和投影贴图。
阴影贴图是通过渲染一个代表遮挡物的贴图来生成阴影效果，而投影贴图则是通过投影计算来生成阴影效果。
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。
计算机形学中的光照与渲染
计算机形学中的光照与渲染计算机形学（Computer Graphics）是研究计算机图像生成、处理、分析与显示的学科，光照与渲染是其中的重要内容。
光照与渲染技术的发展，不仅令计算机图形在游戏、电影等领域得到广泛应用，也使得计算机生成图像的逼真度不断提高。
本文将从光照模型、阴影生成和渲染算法等方面，介绍计算机形学中的光照与渲染。
一、光照模型光照模型是计算机图形中描述光照效果的数学模型。
常用的光照模型有经典的Lambert模型、冯氏模型和布林-菲格模型等。
1. Lambert模型Lambert模型是基于兰伯特定律的光照模型，它假设物体表面对所有方向的光都均匀地反射。
该模型使用一个漫反射系数来描述物体表面的反射特性，较为简单但效果较为有限。
2. 冯氏模型冯氏模型通过考虑环境光、漫反射光和镜面光，更加真实地模拟物体表面的光照效果。
它使用环境光系数、漫反射系数和镜面反射系数来控制光照的强度和反射特性。
3. 布林-菲格模型布林-菲格模型使用了冯氏模型的基本光照方程，并在此基础上引入了环境光的衰减、阴影和透明等特性。
这使得布林-菲格模型更加逼真，能够模拟更多真实光照场景。
二、阴影生成阴影是光照与渲染中的重要效果之一，能够增强图像的逼真度。
常用的阴影生成方法有平面投影法、体积光法和阴影贴图法。
1. 平面投影法平面投影法是最简单直观的阴影生成方法，即通过将物体的投影映射到平面上来表示阴影。
然而，平面投影法的效果较为简单，对于复杂场景效果不佳。
2. 体积光法体积光法利用射线追踪的思想，通过模拟光线在介质中的传播来生成逼真的阴影效果。
该方法能够处理透明物体和复杂光照情况，但计算复杂度较高。
3. 阴影贴图法阴影贴图法通过将场景中的物体投影到纹理贴图上，然后将贴图应用到场景中，以实现逼真的阴影效果。
这种方法计算简单，效果较好，被广泛应用于实时渲染领域。
三、渲染算法渲染算法是计算机形学中用于生成真实感图像的关键技术。
常用的渲染算法包括扫描线算法、光线追踪算法和辐射度量法等。
计算机形学光照模型基础知识全面解析
计算机形学光照模型基础知识全面解析计算机图形学的光照模型是模拟真实世界中的光照效果，使得计算机生成的图像更加逼真。
本文将全面解析计算机形学光照模型的基础知识，帮助读者深入了解光照模型的原理和应用。
一、光照模型的概述光照模型是计算机图形学中的重要内容，它可以模拟光照对物体的影响，使得计算机生成的图像具有真实感。
光照模型通常由三部分组成，分别是环境光、漫反射光和镜面光。
这三部分光线的叠加决定了物体在计算机图像中的亮度和明暗。
1. 环境光：环境光是指来自无特定方向的光线，它可以认为是光线在环境中的均匀散射。
环境光的强度在整个场景中是恒定的，它决定了整个场景的基准亮度。
2. 漫反射光：漫反射光是指光线照射到物体表面后均匀散射的光线。
漫反射光的强度受到物体表面法线和光线入射方向的夹角以及材质的反射特性的影响，决定了物体的明暗。
3. 镜面光：镜面光是指光线照射到物体表面后沿着反射角方向反射的光线，它使得物体表面呈现出高光效果。
镜面光的强度受到光线入射方向、观察者方向以及物体表面的平滑程度等因素的影响。
二、经典的光照模型计算机图形学中有多种经典的光照模型，本节将介绍其中的两种：Lambert模型和Phong模型。
这两种模型分别从漫反射光和镜面光的角度考虑光照效果。
1. Lambert模型Lambert模型是一种最简单的光照模型，它只考虑漫反射光的影响。
Lambert模型中，物体表面的明暗只与光线入射方向和物体表面法线的夹角有关，与观察者方向无关。
该模型的计算公式为：I = Ia * Ka + Ip * Kd * cosθ其中，I表示最终的颜色强度，Ia表示环境光的强度，Ka表示物体表面的环境光反射系数，Ip表示光源的强度，Kd表示物体表面的漫反射系数，θ表示光线入射方向与物体表面法线的夹角。
2. Phong模型Phong模型是一种综合考虑漫反射光和镜面光的影响的光照模型。
Phong模型根据光线入射方向、观察者方向和物体表面的平滑程度来计算镜面光的反射强度，从而使得物体表面呈现出光泽感。
计算机形学的光照模型
计算机形学的光照模型计算机形学是计算机图形学的一个重要分支，主要研究计算机生成和处理图像的方法和技术。
在计算机形学中，光照模型起着至关重要的作用。
光照模型是描述物体如何与光源相互作用的数学模型，它用于计算物体表面的光照效果，使得计算机生成的图像更加逼真和真实。
一、光照模型的基本原理光照模型通常包括三个主要组成部分：环境光、漫反射和镜面反射。
环境光是指自然光照射到物体表面后经过多次反射而产生的来自无特定方向的散射光，它对于整体的光照效果起到了一定的调整作用。
漫反射是指光线照射到物体表面后均匀地反射到各个方向，这种反射使物体呈现出柔和的光照效果。
镜面反射是指光线照射到物体表面后以等角反射的方式反射出去，形成明亮的高光点，使物体呈现出明亮的高光效果。
二、经典的光照模型1. Lambert光照模型Lambert光照模型是一种最基本的光照模型，它假设光线与物体表面成直角入射，并且光线均匀地散射到各个方向。
它的计算公式为：I = Ia * Ka + Ip * Kd * (L · N)其中，I表示最终的光照强度，Ia表示环境光的强度，Ka表示环境光的反射系数，Ip表示光源的强度，Kd表示物体的漫反射系数，L表示光线的方向向量，N表示物体表面的法向量。
2. Phong光照模型Phong光照模型是一种基于镜面反射的光照模型，它综合考虑了环境光、漫反射和镜面反射三个方面的光照效果。
它的计算公式为：I = Ia * Ka + Ip * Kd * (L · N) + Ip * Ks * ((R · V) ^ s)其中，Ks表示物体的镜面反射系数，R表示镜面反射方向向量，V表示观察者的视线方向向量，s表示镜面反射的强度指数。
三、实时光照模型传统的光照模型在计算效果上非常准确，但是计算量较大，难以在实时渲染中使用。
因此，为了满足实时渲染的需求，研究人员提出了一些实时光照模型。
常见的实时光照模型有：1. Gouraud光照模型Gouraud光照模型是一种基于顶点的实时光照模型，它通过给顶点设置颜色值来模拟光照效果。
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理想镜面反射
非理想镜面反射
处理方法
将泛光与漫反射光结合起来
例子 I Ie Id IaKa I pKd (L N )
分类：均匀着色与光滑着色 均匀着色
所适用场景：1）光源在无穷远处； 2）视点在无穷远处； 3）多边形是物体表面的精确曲面体用多边体近似表示，再进行均匀着色 把曲面体离散成很细的小面片
存储容量与处理时间耗费很大
把曲面体离散成很粗的面片
产生马赫带效应
光滑着色(插值着色)
Gouraud方法 Phong方法
Gouraud方法
通过对多边形顶点颜色进行线性插值来获得其内 部各点颜色，又称颜色插值着色方法。 对多边体中的每一个多边形，其着色步骤如下： 1）计算多边形顶点的单位法矢量； 2）利用光照明方程计算顶点的颜色； 3）在扫描线消隐算法中，对多边形顶点颜色进行 双线性插值，获得多边形内部（位于多边形内的 扫描线上）各点的颜色。
光照明方程
Il 点光源的亮度
Kd 漫反射系数
入射角
I Kd Il cos
[0, ]
2
漫反射光的强度只与入射角有关
定义
镜面反射光
光滑物体（如金属或塑料）表面对光的反射
高光
入射光在光滑物体表面形成的特别亮的区域
光照明方程
I Il Ks cosn
Ks — 物体镜面反射系数
— 视线与反射方向的夹角
例子
Ia 1.0
Ka 0.4
Ka 0.8
定义
漫反射光
粗糙、无光泽物体（如粉笔）表面对光的反射。
点光源的照射
照在物体的不同部分其亮度也不同，亮度I的大 小依赖于物体的朝向及它与点光源之间的距离。
特点
空间分布是均匀的。
兰伯特（Lambert）余弦定律
反射光强与入射光的入射角的余弦成正比。
6.4 明暗效应
定义：指的是对光照射到物体表面所产生的反射或透射现 象的模拟。
影像因素： 物体：几何形状、位置、朝向 光源:位置、距离、颜色、数量、强度、种类 环境:遮挡关系、光的反射与折射、阴影 视点位置 物体性质:材料、颜色、透明度 折射性 表面光滑度
泛光
在空间中近似均匀分布，即在任何位置、任 何方向上强度一样。
两方法的比较
1）Phong着色方法计算量远大于Gouraud着色方 法。
2） Phong着色方法绘制的图形比Gouraud方法 更真实。
透明
简单透明不考虑折射现象 插值透明
I (1 Kt1 )I1 Kt1 I2
从不同物体表面所产生的反射光的统一照明 没有空间和方向上的特征 具体面上反射强度依赖于材质属性 用于模拟从环境
光照明方程：
I KaIa
Ia 入射的泛光光强，与环境的明暗度有关；
Ka 漫反射系数，在分布均匀的环境光照射下， 不同物体表面所呈现的亮度未必相同，因为它们的 漫反射系数不同。
Phong方法
通过对多边形顶点的法矢量进行线性插值来 获得其内部各点的法矢量，又称法向插值着 色方法。
步骤如下：
1）计算多边形顶点的单位法矢量；
2）在扫描线消隐算法中，对多边形顶点的 法矢量进行双线性插值，获得多边形内部 （位于多边形内的扫描线上）各点的法矢量；
3）利用光照明方程计算各点的颜色。