计算机图讲义形学真实感图形绘制
合集下载
计算机图形学真实感图形绘制PPT课件
i1
i1
2020年9月28日
19
10.2 基于简单光照模型的多边形绘制
恒定光强 Gouraud明暗处理 Phong明暗处理
2020年9月28日
20
恒定光强
只用一种颜色绘制整个多边形 光源在无穷远处，则多边形上所有点的L·N 为常数，衰减函数也是一个常数。 视点在无穷远处，则多边形上所有点的V·R 为常数。 多边形是景物表面的精确表示，即不是一个 含曲线面景物的近似表示。
第十章 真实感图形绘制
基本概念 简单光照模型 基于简单光照模型的多边形绘制
2020年9月28日
1
基本概念
真实感图形绘制：通过综合利用数学、物理学、 计算机以及心理学等知识在计算机图形输出设 备上绘制出能够以假乱真的美丽景象。
光强（度）：描述物体表面朝某方向辐射光的 颜色，它既能表示光能大小又能表示其色彩组 成的物理量。
n
n
IaK a f(di)Ip,iK d(L iN ) f(di)Ip,iK s(H iN )n
i 1
i 1
2020年9月28日
16
颜色
选择颜色模型（color model） 面向硬件的颜色模型：RGB、CYM 面向视觉感知的颜色模型：HSI
为颜色分量指定光照模型
2020年9月28日
17
2020年9月28日
2
基本概念
光照模型（Illumination model），也称明暗模 型，主要用于物体表面某点处的光强度计算。 简单的光照模型 复杂的光照模型
2020年9月28日
3
基本概念
真实感图形绘制过程 根据假定的光照条件和景物外观因素，依
据一定的光照模型，计算可见面投射到观察者 眼中的光强度大小，并将它转换成适合图形设 备的颜色值，生成投影画面上每一个象素的光 强度，使观察者产生身临其境的感觉。
第章真实感图形绘制PPT课件
10.2Βιβλιοθήκη 简单光照模型光源：点光源；
物体：非透明物体，表面光滑透射光和 散射光不计；被吸收到物体内部的
会产生视觉效果，忽略不计；
光不
因此，简单光照模型只考虑反射光。
反射光包括：环境光、漫反射光、镜面反射光。
10.2.1 环境光
物体接受到的周围物体散射出来的光， 代表一种分布光源。
P点对环境光的反射强度为
其中
Ie——环境光的漫反射光强 Ia——入射的环境光光强 Ka——环境光的漫反射常数
Ie = Ia * Ik
P
环境光的反射
10.2.2 漫反射光
漫反射：一个粗糙的物体表面对光源的反应为漫反射， 即光线入射到该表面后，向各个方向做同等光强的反射。 所以从任何角度看，该物体具有同样的亮度。
点光源
N
L
q
P
漫反射
漫反射光（Diffuse Reflection）
对于彩色
I p (I pR , I pG , I pB ) IdR I pR KdR (L N )
IdG I pG KdG (L N )
IdB I pB KdB (L N )
对于多个漫反射光源
n
Id I p,i Kd (Li N ) i 1
i 1
i 1
n
n
I B I aB KaB f (di )I pB,i KdB (Li N ) f (di )I pB,i K sB (Hi N )n
i 1
i 1
10.3 基于简单光照模型的多边形绘制
10.3.1 恒定光强的多边形绘制
只用一种颜色绘制整个多边形：任取多边形上一点，利 用简单光照模型计算出它的颜色，该颜色即是多边形的 颜色。
物体：非透明物体，表面光滑透射光和 散射光不计；被吸收到物体内部的
会产生视觉效果，忽略不计；
光不
因此，简单光照模型只考虑反射光。
反射光包括：环境光、漫反射光、镜面反射光。
10.2.1 环境光
物体接受到的周围物体散射出来的光， 代表一种分布光源。
P点对环境光的反射强度为
其中
Ie——环境光的漫反射光强 Ia——入射的环境光光强 Ka——环境光的漫反射常数
Ie = Ia * Ik
P
环境光的反射
10.2.2 漫反射光
漫反射：一个粗糙的物体表面对光源的反应为漫反射， 即光线入射到该表面后，向各个方向做同等光强的反射。 所以从任何角度看，该物体具有同样的亮度。
点光源
N
L
q
P
漫反射
漫反射光（Diffuse Reflection）
对于彩色
I p (I pR , I pG , I pB ) IdR I pR KdR (L N )
IdG I pG KdG (L N )
IdB I pB KdB (L N )
对于多个漫反射光源
n
Id I p,i Kd (Li N ) i 1
i 1
i 1
n
n
I B I aB KaB f (di )I pB,i KdB (Li N ) f (di )I pB,i K sB (Hi N )n
i 1
i 1
10.3 基于简单光照模型的多边形绘制
10.3.1 恒定光强的多边形绘制
只用一种颜色绘制整个多边形：任取多边形上一点，利 用简单光照模型计算出它的颜色，该颜色即是多边形的 颜色。
计算机图形学第7讲真实感图形的绘制PPT课件
2020年9月28日
39
简单光照明模型
Gouraud明暗处理算法
计算多边形顶点的平均法向
nb n
nc
用与顶点相邻的所有多边形 的法向的平均值近似作为该
na
nd
顶点的近似法向量
用Phong光照明模型计算顶 点的平均光强
插值！
I1 I2
2020年9月28日
I0
I4 I3
40
简单光照明模型
光强插值
(R) 、(G) 、(B) 为正值 (R) 、(G) 、(B)为方向，代表颜色
降维到色度平面(R) +(G)+(B)=1
2020年9月28日
9
基础概念
球面坐标系
2020年9月28日
10
基础概念
立体角（Solid Angle）
投影面积
Anv
2020年9月28日
v
11
基础概念
光通量
单位时间内通过面元的光能量（单位W）
饱和度(Saturation)-纯度(Purity)
颜色纯度
纯度越高：单一波长且更亮（激光）
亮度(Lightness)-明度(Luminance)
光的亮度 光在单位时间内从单位面积向单位立体角所发射的能量
2020年9月28日
5
2020年9月28日
6
颜色
红、绿、蓝三原色 (RGB)
1862年Helmhotz提出 视锥网膜存在三种细胞，分别感应红绿蓝三种颜色
N4 N3
D
F B
E
C
46
简单光照明模型
Phong明暗处理：双线性法线插值
通过更加平滑的法向量变化，以产生高光效果
《计算机图形学》09-真实感图形生成技术PPT课件
五. 一般物体的表示 对于一般的物体，如果其表面的光滑度较低，也就是镜面反射
不太明显, 甚至可忽略不计（如一般的地表、橡胶制品等等）则可 将前述phong模型中的镜面反射部分去掉而简化成：
R
R0
G d(1d)cos G0
B
B0
又因环境反射光所占比例极小（d《1），有时也可忽略
不计，故可得：
R
2020年9月28日
21
2. Gouraud 方法(双线性亮度插值法)
基本思想：对离散的辉度采样并作双线性插值，以获得一个 连续的辉度函数。
具体做法：首先计算多边形所有顶点的亮度，之后，把它们 作为曲面光亮度的采样点，然后再利用多边形顶点的光亮度插 值计算出多边形内任一点的光亮度，在这里与扫描线绘制算法 结合起来，沿当前扫描线进行双线性插值。即先用多边形顶点 的光亮度线性插值出当前扫描线与多边形交点处的光亮度，然 后再用交点的光亮度线性插值出扫描线位于多边形内区段上每 一象素处的光亮度值。
因为同一个三角形上的所有点必处于同一个平面上，所以所有 点的法向相同，这样就可取其中一点作为代表（通常取其重心 点）。根据视点、光源、物体的颜色等已知的条件及物体的材质， 采用前述的公式计算出该点的辉度值，并以此作为整个三角形面 素的辉度值。
在计算三角形面素辉度值时，要计算三角形面素的重心坐标、 法线矢量、视线矢量和光源方向矢量。其计算方法与前述的完全 一样。
8
由于假定环境反射分量基于均匀入射的漫射光，因 此可以用一常数来表示。则
I漫＝Ipa ＋ IpdCOSθ Ipa为环境反射分量，一般取（0.02－0.2)Ipd。 对于某些物体,如擦亮的金属，光滑的塑料等，受光
照射后会表现出特有的光泽，如一个点光源照射一个金
计算机图形学_第十四章_真实感图形绘制
点表示黑色，其对角线点表示白色，对角线上各点含有等量的各种原色 ，表示辉度等级。坐标轴上的立方体顶点表示原色，而其余相对的顶点 为补色。在立方体范围内的每个彩色点，都可以用三个参数(R，G，B)表 示，值在0~1的范围内。
常见颜色模型
•CMY颜色模型
用青（Cyan）、品红（Magenta）和黄（Yellow）3种原色所定义 的一种彩色模型称为CMY模型。除了是白色而不是黑色位于坐标原点以 外，CMY的坐标空间与RGB的完全相同。 CMY颜色模型适合于硬拷贝设 备的彩色输出 。
简单光照模型
当光照射在一个物体表面上时，会出现3种情形。首先，光 可以通过物体表面向空间反射，产生反射光。其次，对于透明 体，光可以穿透该物体并从另一端射出，产生透射光。最后， 部分光将被物体表面吸收而转化为热。 不包括透射光的简单光照模型。 假设物体不透明，则物体表面呈现的颜色及其光强仅由表 面的反射光决定。通常，反射光被看成是三个分量的组合。这 三个分量分别为：
来定义。
•主波长是所见彩色光中占支配地位的光波长度。
•纯度是光谱纯度的量度，即彩色光中混有白色光的多少
•明度反映了光的明亮程度，即光的强度。
三色学说
1807年，杨(T.Young)和赫姆霍尔兹(H.L.F.von Helmholtz)根据红、绿、蓝三原色可以产生各种色调及灰 度的颜色混合规律，假设在人眼内有3种基本的颜色视觉
漫反射和Lambert模型
在实际使用时，对入射光强按距离平方衰减往往不能 很好地区分点光源在相距较近的景物表面上所产生的光 照效果。 为此，图形学中常采用经验模型来模拟点光源的距离 衰减效果。常用的模型有线性衰减模型，这时， Lambert漫反射模型可改写为：
Kd I I a K a +I p (L N ) d +k
计算机图形学第八章-真实感图形生成技术PPT课件
写入刷新缓冲器，且用z(x,y)重置Zbuffer(x,y)； (4) 所有多边形都处理完后，显示消隐图。
深度缓冲器算法便于硬件实现。实际上，在当今生 产的大多数高档图形工作站，除了帧缓存外，还带有 用于消隐的深度缓存，从而克服了深度缓存算法占用 大量存储单元的缺点。
2021/3/5
14
8.1.4 区域细分算法 区域细分算法也称为Warnock算法。这种算法在图像空
设平面方程为 Ax+By+Cz+D=0
法向矢量为 N﹦Ai﹢Bj﹢Ck
则cosβ﹦C/|N|。作为判断依据，只需要知道cosβ的正负 号就够了。因为|N|恒大于 0，所以cosβ的符号由C决定， 因此，当C＜0 时，为可见面。当C≥0时，为不可见面。
2021/3/5
7
由于三点可以构成一个平面，和三点可以构成两个
画家算法也称表优先级算法或深度优先排序算法。 这种算法排序操作同时在对象空间和图象空间完成， 而在图象空间产生消隐图。实现时首先以深度优先级 进行排序，距观察点远的面优先级低，近的面优先级 高，以此建立一张深度优先级表。然后按优先级表顺 序将各面送入帧缓冲器进行显示。
2021/3/5
10
深度优先级表的建立是动态进行的。假定观察方向
图3
2021/3/5
6
设平面外法线同Z轴方向的夹角为β，则cosβ为单位平面 外法线矢量在Z轴上的分量。β角同可见性的关系为：
（1）当 0≤β≤90 时，cosβ＞0，此面背向观察者 为不可见面。
（2）当 ﹦90 时，cosβ﹦0，此面平行于Z轴，可以认 为是不可见面。
（3）当 90≤β≤180 时，cosβ＜0，此面朝向观察 者的，为可见面。 Nhomakorabea图1
深度缓冲器算法便于硬件实现。实际上，在当今生 产的大多数高档图形工作站，除了帧缓存外，还带有 用于消隐的深度缓存，从而克服了深度缓存算法占用 大量存储单元的缺点。
2021/3/5
14
8.1.4 区域细分算法 区域细分算法也称为Warnock算法。这种算法在图像空
设平面方程为 Ax+By+Cz+D=0
法向矢量为 N﹦Ai﹢Bj﹢Ck
则cosβ﹦C/|N|。作为判断依据，只需要知道cosβ的正负 号就够了。因为|N|恒大于 0，所以cosβ的符号由C决定， 因此，当C＜0 时，为可见面。当C≥0时，为不可见面。
2021/3/5
7
由于三点可以构成一个平面，和三点可以构成两个
画家算法也称表优先级算法或深度优先排序算法。 这种算法排序操作同时在对象空间和图象空间完成， 而在图象空间产生消隐图。实现时首先以深度优先级 进行排序，距观察点远的面优先级低，近的面优先级 高，以此建立一张深度优先级表。然后按优先级表顺 序将各面送入帧缓冲器进行显示。
2021/3/5
10
深度优先级表的建立是动态进行的。假定观察方向
图3
2021/3/5
6
设平面外法线同Z轴方向的夹角为β，则cosβ为单位平面 外法线矢量在Z轴上的分量。β角同可见性的关系为：
（1）当 0≤β≤90 时，cosβ＞0，此面背向观察者 为不可见面。
（2）当 ﹦90 时，cosβ﹦0，此面平行于Z轴，可以认 为是不可见面。
（3）当 90≤β≤180 时，cosβ＜0，此面朝向观察 者的，为可见面。 Nhomakorabea图1
计算机图形学课件-第八章-真实感图形的绘制精选课件PPT
明暗模型
漫射照明 具体光源的照射 透射效应。
漫反射 镜面反射
2021/3/2
7
Computer Graphics
College of Computer Science and Technology
简单的光照模型仅考虑光源照射在物体表面 产生的反射光。这种光照模型通常假定物体是 光滑的且由理想材料构成，所生成的图形可以 模拟出不透明物体表面的明暗过渡，具有一定 的真实感效果。这类光照明模型称为局部光照 明模型。
College of Computer Science and Technology
用计算机在图形设备上生成连续色调的真 实感图形必须完成四个基本的任务。
1 用数学方法建立所构造三维场景的几何描述，并 将它们输入至计算机。这部分工作可由三维立体 造型或曲面造型系统来完成。
2 将三维几何描述转换为二维透视图。
2
Computer Graphics
College of Computer Science and Technology
当光照射到物体表面时，光线可能被 吸收、反射和透射。被物体吸收的部分转 化为热，反射、透射的光进入人的视觉系 统，使我们能看见物体。为模拟这一现象， 需要建立一些数学模型来替代复杂的物理 模型，这些模型就称为明暗效应模型或者 光照(明)模型。
第一节
College of Computer Science and Technology
漫反射及具体
光源的照明
1．环境光
在多数实际环境中，存在由于许多 物体表面多次反射而产生的均匀的照 明光线，这就是环境光线。环境光线 的存在使物体得到漫射照明.
亮度计算如下：
I=Ia· κa
2021/3/2
计算机图形学第十一章-真实感图形生成技术
*
假定四边形图案的四角映射到四边形曲面片四角片，即 u＝0，w＝0，在θ＝0，Φ＝π/2 u＝1，w＝0，在θ＝π/2，Φ＝π/2 u＝0，w＝1，在θ＝0，Φ＝π/4 u＝1，w＝1，在θ＝π/2，Φ＝π/4 可解得 A＝π/2，B＝0， C＝一π/4， D＝π/2 故由uw空间在θΦ空间的线性映射函数为： θ＝u·π/2，Φ＝π/2 －w·π/4 由θΦ空间至uw空间的逆映射为： u＝θ/ (π/2 ) w=（π/2 －Φ）/ (π/4)
（2）然后按实际的视点位置和观察方向，对物体实施消隐 算法，生成真正消隐后的立体图形；
（3）检索数据文件，核查消隐后生成的图形中，是否包含有在光照模型下的“隐藏面”。如有，则加以阴影符号标识这些面。
Z缓冲器方法
光线跟踪法
影域多面体方法 投射阴影生成方法
投射阴影生成方法 1、影域多面体方法 基本思想：先求出景物空间中光线被该物体轮廓多边形所 遮挡的区域，即影域多面体。然后 再判断其后物体是否在 该影域内，若在影域内为阴影。
四、影响真实感图形因素
物体本身形状
照射物体光源
物体与光源相对位置
物体周围环境
*
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： 反射光：光通过物体表面被反射； 透视光：对于透明物体光穿过该物体而从另端射出； 光被物体吸收而变成热。 我们视觉效果是反射光和透视光。
与漫反射不同，镜面反射光与物体颜色无关。
当光源不只一个，而是有m个光源，则上式可写为： 这就是简单光照模型。
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)
假定四边形图案的四角映射到四边形曲面片四角片，即 u＝0，w＝0，在θ＝0，Φ＝π/2 u＝1，w＝0，在θ＝π/2，Φ＝π/2 u＝0，w＝1，在θ＝0，Φ＝π/4 u＝1，w＝1，在θ＝π/2，Φ＝π/4 可解得 A＝π/2，B＝0， C＝一π/4， D＝π/2 故由uw空间在θΦ空间的线性映射函数为： θ＝u·π/2，Φ＝π/2 －w·π/4 由θΦ空间至uw空间的逆映射为： u＝θ/ (π/2 ) w=（π/2 －Φ）/ (π/4)
（2）然后按实际的视点位置和观察方向，对物体实施消隐 算法，生成真正消隐后的立体图形；
（3）检索数据文件，核查消隐后生成的图形中，是否包含有在光照模型下的“隐藏面”。如有，则加以阴影符号标识这些面。
Z缓冲器方法
光线跟踪法
影域多面体方法 投射阴影生成方法
投射阴影生成方法 1、影域多面体方法 基本思想：先求出景物空间中光线被该物体轮廓多边形所 遮挡的区域，即影域多面体。然后 再判断其后物体是否在 该影域内，若在影域内为阴影。
四、影响真实感图形因素
物体本身形状
照射物体光源
物体与光源相对位置
物体周围环境
*
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： 反射光：光通过物体表面被反射； 透视光：对于透明物体光穿过该物体而从另端射出； 光被物体吸收而变成热。 我们视觉效果是反射光和透视光。
与漫反射不同，镜面反射光与物体颜色无关。
当光源不只一个，而是有m个光源，则上式可写为： 这就是简单光照模型。
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)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
IIeIdIs IaKaIpKd(LN)IpKs(RV)n
14
光强衰减
光在传播的过程中，其能量会发生衰减。光照 模型中必须考虑光强衰减，否则会影响生成图 形的真实效果。
光强的衰减可以采用常数衰减、一次函数衰减 和二次函数衰减等。
15
光强衰减
常用的二次衰减函数
1 f(d)m1 i,nc0(c1dc2d2)
计算机图形学真实感图形绘制
基本概念
真实感图形绘制：通过综合利用数学、物理学、 计算机以及心理学等知识在计算机图形输出设 备上绘制出能够以假乱真的美丽景象。
光强（度）：描述物体表面朝某方向辐射光的 颜色，它既能表示光能大小又能表示其色彩组 成的物理量。
2
基本概念
光照模型（Illumination model），也称明暗模 型，主要用于物体表面某点处的光强度计算。 简单的光照模型 复杂的光照模型
图2 漫反射
9
漫反射光（Diffuse Reflection）
若L和N都已规格化为单位矢量，则有
Id IpKd(LN)
点光源
N
L
P
图2 漫反射
10
漫反射光（Diffuse Reflection）
对于彩色
Ip(IpR ,IpG ,IpB )
IdR I pR KdR (L N )
IdG I pG KdG (L N )
27
透明处理
T( ri sinicors)N ri L
入射光 L
21
Gouraud明暗处理
Gouraud明暗处理方法，又称为亮度插值明暗 处理，它通过对多边形顶点颜色进行线性插值来 绘制其内部各点，其步骤为： 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量； 对每个顶点根据简单光照模型来计算其光强； 在多边形表面上将顶点强度进行线性插值。
22
Gouraud明暗处理
i1
i1
19
10.2 基于简单光照模型的多边形绘制
恒定光强 Gouraud明暗处理 Phong明暗处理
20
恒定光强
只用一种颜色绘制整个多边形 光源在无穷远处，则多边形上所有点的L·N 为常数，衰减函数也是一个常数。 视点在无穷远处，则多边形上所有点的V·R 为常数。 多边形是景物表面的精确表示，即不是一个 含曲线面景物的近似表示。
双线性插值方法
y
B
y
S
A
多边形
PT
扫描线
C
O
x
图4 Gouraud 明暗处理的双线性插值
23
Phong明暗处理
Phong明暗处理方法，又称为法矢量插值明暗 处理，它对多边形顶点的法矢量进行插值以产生 中间各点的法矢量，其步骤为： 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量； 用双线性插值方法求得多边形内部各点的法 矢量。 最后按光照模型确定多边形内部各点的光强。
5
10.1 简单光照模型
简单光照模型 环境光 漫反射光 镜面反射光 光强衰减 颜色处理
6
简单光照模型
简单光照模型中只考虑反射光的作用。 反射光由环境光、漫反射光和镜面反射光三部
分组成。
7
环境光（Background Light）
特点：照射在物体上的光来自周围各个方向， 又均匀地向各个方向反射。
12
镜面反射光
镜面反射情况由Phong模型给出：
Is IpKscons
若R和V已规格化为单
位矢量，则：
N 点光源
观察点
L
R
Is IpKs(RV)n
V
P
图3 镜面反射
13
物体表面光强计算
从视点观察到物体上任一点P处的光强度I应为 环境光反射光强度Ie、漫反射光强度Id以及镜面 反射光的光强度Is的总和：
24
Phong明暗处理
矢量双线性插值方法
y
NB
B
y
NA
A 多边形
NS
NP
NT
S
PT
C
扫描线
NC
O
x
图5 Phong明暗处理的矢量双线性插值
25
10.3 透明处理
入射光
பைடு நூலகம்
入射光
反射光 折射光
透明景物
图6 透明表面的光强包括反射光和折射光
26
透明处理
不透明景物 B
A
透明景物
z
P
x
图7 简单的透明处理
P点对环境光的反射强度为
Ie IaKa
P
图1 环境光的反射
8
漫反射光（Diffuse Reflection）
一个粗糙的、无光泽的表面呈现为漫反射。
特点：光源来自一个方向，反射光均匀地射向
各个方向。
点光源
N
L
由Lambert余弦定理可
得点P处漫反射光的强度为：
IdIpKdco,s[0,2]
P
18
颜色
光强计算公式：
n
n
IR IaRKaR f(di)IpR,iKdR(Li N) f(di)IpR,iKsR(Hi N)n
i1
i1
n
n
IG IaGKaG f(di)IpG,iKdG(Li N) f(di)IpG,iKsG(Hi N)n
i1
i1
n
n
IB IaBKaB f(di)IpB,iKdB(Li N) f(di)IpB,iKsB(Hi N)n
IdB I pB KdB (L N )
对于多个漫反射光源
n
Id Ip,iKd(Li N) i1 11
镜面反射光
镜面反射遵循反射定律，入射光和反射光分别 位于表面法矢的两侧。
如果观察者正好处在P点的镜面反射方向上，就
会看到一个比周围 亮得多的高光点。
点光源 L
N 观察点 R
V
P
图3 镜面反射
3
基本概念
真实感图形绘制过程 根据假定的光照条件和景物外观因素，依
据一定的光照模型，计算可见面投射到观察者 眼中的光强度大小，并将它转换成适合图形设 备的颜色值，生成投影画面上每一个象素的光 强度，使观察者产生身临其境的感觉。
4
基本概念
真实感图形绘制步骤 在计算机中进行场景造型； 进行取景变换和透视变换； 进行消隐处理； 进行真实感图形绘制。
IIeIdIs
n
n
IaK a f(di)Ip,iK d(L iN ) f(di)Ip,iK s(H iN )n
i 1
i 1
16
颜色
选择颜色模型（color model） 面向硬件的颜色模型：RGB、CYM 面向视觉感知的颜色模型：HSI
为颜色分量指定光照模型
17
颜色
以RGB颜色模型为例 环境光强度：Ia(IaR ,IaG ,IaB ) 入射光强度： Ip(IpR ,IpG ,IpB ) 环境光反射系数： K a(K a,R K aG ,K a)B 漫反射系数： K d(K d,R K dG ,K d)B 镜面反射系数：K s(K sR ,K sG ,K sB )
14
光强衰减
光在传播的过程中，其能量会发生衰减。光照 模型中必须考虑光强衰减，否则会影响生成图 形的真实效果。
光强的衰减可以采用常数衰减、一次函数衰减 和二次函数衰减等。
15
光强衰减
常用的二次衰减函数
1 f(d)m1 i,nc0(c1dc2d2)
计算机图形学真实感图形绘制
基本概念
真实感图形绘制：通过综合利用数学、物理学、 计算机以及心理学等知识在计算机图形输出设 备上绘制出能够以假乱真的美丽景象。
光强（度）：描述物体表面朝某方向辐射光的 颜色，它既能表示光能大小又能表示其色彩组 成的物理量。
2
基本概念
光照模型（Illumination model），也称明暗模 型，主要用于物体表面某点处的光强度计算。 简单的光照模型 复杂的光照模型
图2 漫反射
9
漫反射光（Diffuse Reflection）
若L和N都已规格化为单位矢量，则有
Id IpKd(LN)
点光源
N
L
P
图2 漫反射
10
漫反射光（Diffuse Reflection）
对于彩色
Ip(IpR ,IpG ,IpB )
IdR I pR KdR (L N )
IdG I pG KdG (L N )
27
透明处理
T( ri sinicors)N ri L
入射光 L
21
Gouraud明暗处理
Gouraud明暗处理方法，又称为亮度插值明暗 处理，它通过对多边形顶点颜色进行线性插值来 绘制其内部各点，其步骤为： 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量； 对每个顶点根据简单光照模型来计算其光强； 在多边形表面上将顶点强度进行线性插值。
22
Gouraud明暗处理
i1
i1
19
10.2 基于简单光照模型的多边形绘制
恒定光强 Gouraud明暗处理 Phong明暗处理
20
恒定光强
只用一种颜色绘制整个多边形 光源在无穷远处，则多边形上所有点的L·N 为常数，衰减函数也是一个常数。 视点在无穷远处，则多边形上所有点的V·R 为常数。 多边形是景物表面的精确表示，即不是一个 含曲线面景物的近似表示。
双线性插值方法
y
B
y
S
A
多边形
PT
扫描线
C
O
x
图4 Gouraud 明暗处理的双线性插值
23
Phong明暗处理
Phong明暗处理方法，又称为法矢量插值明暗 处理，它对多边形顶点的法矢量进行插值以产生 中间各点的法矢量，其步骤为： 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量； 用双线性插值方法求得多边形内部各点的法 矢量。 最后按光照模型确定多边形内部各点的光强。
5
10.1 简单光照模型
简单光照模型 环境光 漫反射光 镜面反射光 光强衰减 颜色处理
6
简单光照模型
简单光照模型中只考虑反射光的作用。 反射光由环境光、漫反射光和镜面反射光三部
分组成。
7
环境光（Background Light）
特点：照射在物体上的光来自周围各个方向， 又均匀地向各个方向反射。
12
镜面反射光
镜面反射情况由Phong模型给出：
Is IpKscons
若R和V已规格化为单
位矢量，则：
N 点光源
观察点
L
R
Is IpKs(RV)n
V
P
图3 镜面反射
13
物体表面光强计算
从视点观察到物体上任一点P处的光强度I应为 环境光反射光强度Ie、漫反射光强度Id以及镜面 反射光的光强度Is的总和：
24
Phong明暗处理
矢量双线性插值方法
y
NB
B
y
NA
A 多边形
NS
NP
NT
S
PT
C
扫描线
NC
O
x
图5 Phong明暗处理的矢量双线性插值
25
10.3 透明处理
入射光
பைடு நூலகம்
入射光
反射光 折射光
透明景物
图6 透明表面的光强包括反射光和折射光
26
透明处理
不透明景物 B
A
透明景物
z
P
x
图7 简单的透明处理
P点对环境光的反射强度为
Ie IaKa
P
图1 环境光的反射
8
漫反射光（Diffuse Reflection）
一个粗糙的、无光泽的表面呈现为漫反射。
特点：光源来自一个方向，反射光均匀地射向
各个方向。
点光源
N
L
由Lambert余弦定理可
得点P处漫反射光的强度为：
IdIpKdco,s[0,2]
P
18
颜色
光强计算公式：
n
n
IR IaRKaR f(di)IpR,iKdR(Li N) f(di)IpR,iKsR(Hi N)n
i1
i1
n
n
IG IaGKaG f(di)IpG,iKdG(Li N) f(di)IpG,iKsG(Hi N)n
i1
i1
n
n
IB IaBKaB f(di)IpB,iKdB(Li N) f(di)IpB,iKsB(Hi N)n
IdB I pB KdB (L N )
对于多个漫反射光源
n
Id Ip,iKd(Li N) i1 11
镜面反射光
镜面反射遵循反射定律，入射光和反射光分别 位于表面法矢的两侧。
如果观察者正好处在P点的镜面反射方向上，就
会看到一个比周围 亮得多的高光点。
点光源 L
N 观察点 R
V
P
图3 镜面反射
3
基本概念
真实感图形绘制过程 根据假定的光照条件和景物外观因素，依
据一定的光照模型，计算可见面投射到观察者 眼中的光强度大小，并将它转换成适合图形设 备的颜色值，生成投影画面上每一个象素的光 强度，使观察者产生身临其境的感觉。
4
基本概念
真实感图形绘制步骤 在计算机中进行场景造型； 进行取景变换和透视变换； 进行消隐处理； 进行真实感图形绘制。
IIeIdIs
n
n
IaK a f(di)Ip,iK d(L iN ) f(di)Ip,iK s(H iN )n
i 1
i 1
16
颜色
选择颜色模型（color model） 面向硬件的颜色模型：RGB、CYM 面向视觉感知的颜色模型：HSI
为颜色分量指定光照模型
17
颜色
以RGB颜色模型为例 环境光强度：Ia(IaR ,IaG ,IaB ) 入射光强度： Ip(IpR ,IpG ,IpB ) 环境光反射系数： K a(K a,R K aG ,K a)B 漫反射系数： K d(K d,R K dG ,K d)B 镜面反射系数：K s(K sR ,K sG ,K sB )