第十一章真实感图形生成技术

上式中镜面反射光一项对三个式子都是一样。
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7.3 明暗处理方法
7.3.1 概述 明暗处理就是使物体表面光
强度强弱表现。 上一节介绍了简单照明模型，
只要知道物体表面某一点的法线 就可以算出该点反射光强度。
对于表面是弯曲的形体，计算出曲面每一点法线，然 后再按照模型来计算每一点明暗程度，计算工作量太大。
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7.2.3 镜面反射光 上面讨论漫反射是一个粗糙无光泽表面，如粉笔。如
果一个点光源照射到一个抛光的金属球时，在球上形成一 块特别亮的区域，呈现所谓“高光”。它是光源在金属球面 上产生的镜面反射光。
对于一个理想的镜面，入射到表面上的光严格地遵守光 的反射定律朝一个方向——镜面反射方向反射出去；对于 一般光滑表面，由于表面具有一定粗糙度，其表面实际上 是由许多朝向不同微小表面组成，其镜面反射光散布在反 射方向周围 。
第七章 真实感图形生成技术
7.1 概述
一、真实感图形定义
真实感图形的显示是使用计 算机产生同照片同样的黑白图像 或彩色图像。
计算机图形学研究目的最终 是用计算机生成图形，具有真实 感使物体和自然界中物体 相似， 包括颜色、纹理、明暗等。
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二、真实感图形应用
1、产品外形设计
Ie=IaKa 式中 Ie----物体对环境光反射亮度；
Ia----环境光亮度； Ka----物体表面对环境光反射系数（0≤Ka≤l）。
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7.2.2 漫反射光
漫反射光是由特定光源在物
体表面反射光中那些向空间各方
向均匀反射出去的光。设物体表
面在P点法线为N，从P点指向光
源的向量为L，两者夹角为θ。
2、飞行驾驶模拟训练
3、动画制作、城市规划、医学气象等
三、真实感图形特点
1、反映物体表面颜色和亮度
2、表现物体质感
3、能通过光照下物体的阴影， 改善场景的深度感和层次感
4、能模拟透明物体的透明效果和镜面物体的镜像 效果
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四、影响真实感图形因素 1、物体本身形状 2、物体表面特征：材质、感光度，纹理等 3、照射物体光源 4、物体与光源相对位置 5、物体周围环境
m
IIK Ipi(K dcoi sK sco n is) i 1
这就是简单光照模型。
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令L为入射光方向单位矢量，N为表面 法线单位矢量，R为反射光方向单位矢 量，V为视线方向单位矢量，如图，则 余弦函数可用矢量点积来表示，即
(L·N) =cosθ (R·V)=cos φ 即
因此，用平面多面体来逼近弯曲表面形体。对于平 面多边形来说，由于它的每个表面都是平面，而在同一 平面上，任一点法线都是一样，因此，只要用一个固定 的强度值来表示面上所有点（即整个面）的明暗程度就 可以了，这样使得计算工作大为简化。
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7.3.1 概述
7.3 明暗处理方法
为了不使光强度急剧变化，我们用下面两种方法。
于是，点P处漫反射光的强度为：
Id =Ip kd cosθ 式中 Id ——表面漫反射光的亮度；
Ip ——入射光的光亮度； kd——漫射系数 0≤Kd ≤l； θ——入射光线与法线间夹角，0≤θ≤π/2。
当物体表面垂直于入射光方向时（N、L方向一致）看上 去最亮。当θ越来越大，接近900时，则看上去越来越暗。与漫反不同，镜面反射光与物体颜色无关。
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7.2.4 Phong光照模型
综上所述，从视点观察到物体表面上任一点亮度I应为环境 光、漫反射光、镜面反射光的总和，即：
I＝Ie＋Id＋Is 即：
I＝Ie Ka＋Ip (Kd cosθ＋K s cosnφ)
当光源不只一个，而是有m个光源，则上式可写为：
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下面讨论不包含透射光的简单光照模型。
假设物体不透明，那么物体表面呈现的颜色仅由其反射光 决定，通常人们把反射光考虑成三个分量的组合，这三个 分量分别是：
环境反射 漫反射 镜面反射
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7.2.1 环境反射光
环境反射光是由于邻近物体所造成的光多次反射所产生 的，其光亮度可表示为：
1、哥罗德（Gouraud）强度插值法 2、冯（Phong）法向插值法
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7.3.2 哥罗德（Gouraud）强度插值法
1、计算多边形每个顶点法向量 求出与该顶点相邻的多面体各面的法向平均值，作为
该顶点法向。如图P点法向量为： Np=(N1+N2+N3)/3
其中N1、N2、N3分别是以 P为公共顶点 的三个面的外法向；Np是 P点外法向。
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B．T．Phong1975年提出来用余弦函数的幂次来模拟镜面 反射光的空间分布，可表示为：
Is＝IpKs cosnφ Is ——观察者接收到镜面反射光亮度； Ip ——入射光的亮度； φ ——镜面反射方向和视线方向的夹角； n ——镜面反射光的会聚系数
（与物体表面光滑度有关）一般取1～2000； Ks——镜面反射系统（与材料性质和入射光波长有关）。 表面越光滑，其镜面反射光会聚程度较高，n值较大。
I＝Ia Ka＋Ip [Kd (L·N)＋K s (R·V) n]
对于彩色显示，可把光源分成红、绿、蓝(R·G·B） 三基色光，对每一基色分别用相应算式来计算， 即
Ir ＝Ia Kar ＋Ip [Kdr (L·N)＋Ks (R·V) n] Ig ＝Ia Kag＋Ip [Kdg(L·N)＋Ks (R·V) n] Ib ＝Ia Kab＋Ip [Kdb (L·N)＋Ks (R·V) n]
2、计算各个顶点的光亮度I1，I2，…Im
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7.3.2 哥罗德（Gouraud）强度插值法
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7.2 简单光照模型
一个物体表面为什么会出现 明暗、颜色等，主要由于物体发 光达到人眼的结果。
光照在物体表面上有三种情况： 1、反射光：光通过物体表面被反射； 2、透视光：对于透明物体光穿过该物体而从另端射出 3、光被物体吸收而变成热。
我们视觉效果是反射光和透视光。
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