第八章++真实感图形绘制

1982 年Cook和Torrance提出了一个基于物 理光学的表面反射模型——Cook· Torrance 模型，使得模型中反射光的位置和分布与实际 情况非常接近，因而用它绘制的图形具有很好 的质感。 Cook· Torrance模型的表达式如下：

利用上述光照模型，可以计算出场景中各物体每一点的 颜色。该颜色只与直接光源、物体的材料及该点的法向 量有关，与它周围的物体还没有建立联系，这样的光照 模型被称为局部光照模型。但现实世界里的大多数物体 都具有明显的反光特性(因此我们的眼睛才能感觉到它 们的存在)，有些物体还具有透明特性，一个物体的反 射光和透射光也会对其它物体产生明显的影响。光线跟 踪算法和辐射度算法较好地解决了这方面的问题，它们 被称为全局光照模型。其中光线跟踪算法解决了物体之 间的镜面反射和透射的影响，能产生镜像、透明和阴影 等效果，但对漫反射处理不足，辐射度算法正好解决了 这一不足，它从能量的角度出发，很好地模拟了物体之 间的漫反射。
7.4 光线跟踪--光线跟踪的基本原理
用光线跟踪方法显示真实感图形有如下优点： 1）显示它不仅考虑到光源的光照，而且考虑到场景中各物体之间 彼此反射的影响，因此显示效果十分逼真。 2）有消隐功能 采用光线跟踪方法，在显示的同时，自然完成消隐功能。而且，事 先消隐的做法也不适用光线跟踪，因为那些背面和被遮挡的面，虽 然看不见，但仍能通过反射或透射影响着看得见的面上的光强。 3）有影子效果 光线跟踪能完成影子的显示，方法是从P0处向光源发射一根阴影探 测光线。如果该光线在到达光源之前与场景中任一不透明的面相交， 则P0处于阴影之中，否则，P0处于阴影之外。 4）该算法具有并行性质 每条光线的处理过程相同，结果彼此独立，因此可以大并行处理的 硬件上快速实现光线跟踪算法。
不同物体表面所呈现的亮度未必相同，因为它们的环境光 反射系数不同。

光照明方程（仅含环境光）： Ie Ie为物体表面所呈现的亮度。
=
KaIa
简单光照明模型

点光源的照射：照在物体的不同部分其亮度也不同，
亮度Ip的大小依赖于物体的朝向及它与点光源之间的距离.

漫反射(diffuse reflection):粗糙、无光泽的
简单光照明模型
光照射到物体表面，主要发生： 反射 透射（对透明物体） 部分被吸收成热能 反射光，透射光决定了物体所呈现的颜色
简单光照明模型
假定物体是不透明的（即无透射光）


环境光：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,记为Ia 环境光反射系数Ka：在分布均匀的环境光照射下，
固定颜色光的光照明方程 任意颜色光的光照明方程 多光源照射的光照明方程

简单光照明模型

最基本的光照模型是Phong模型，它首次使光 源和视点的位置可以任意选定。Phong 模型表 达式如下：

Phong 模型假设反射光线集中在反射方向(反 射角等于入射角的方向)附近，并随着与反射 方向夹角的增大，反射光急剧减弱。用Phong 模型计算所得的物体象塑料，镜面反射光是光 源的颜色，不能反映物体表面的材料特性，而 且镜面反射在入射角很大时有失真。这个模型 模拟的反射效果不理想，用它生成的图形缺乏 质感。
7.4 光线跟踪--光线跟踪的基本原理
透明

简单透明与带有折射的透明 产生简单透明效果的方法
插值透明方法 过滤透明方法
简单光照明模型亦称局部光照明模型，其假定 物体是不透明的，只考虑光源的直接照射，而 将光再物体之间的传播效果笼统地模拟为环境 光。 而整体光照明模型则不然，它考虑了物体之间 的相互影响以产生整体照明效果
Rr(x,y,z) =K× R¢ (x¢ ,y¢ ) Rg(x,y,z) =K× G¢ (x¢ ,y¢ ) Rb(x,y,z) =K× B¢ (x¢ ,y¢ ) (8-5-1) 设平面图案中的任意点P¢ （x¢ ,y¢ ）的色彩为C¢ ,C¢ 由三个分量组成； C（x¢ ,y¢ ）=(R¢ (x¢ ,y¢ ),G¢ (x¢ ,y¢ ),B¢ (x¢ ,y¢ ) )
多边形绘制方法

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表示；

光滑着色，亦称插值着色
Gouraud着色方法 Phong着色方法
多边形绘制方法

Gouraud着色方法 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。

物体表面光的亮度是指单位投影面积在单位立 体角内发出的光的能量，它是物体表面上的小 面元所具有的性质。对点光源常用强度来代替 亮度。强度是指点光源在单位立体角内发出的 光能。同样大小的被照射面离光源越远，接收 到的光能就越少。光的传播服从反射定律和折 射定律，光源与物体所表现颜色的关系可通过 光照模型来模拟。

物体所表现的颜色与光源有密切的关系。光照模型的 作用就是计算物体可见表面上每个点的颜色与光源的 关系，因此它是决定图形真实感的一项重要内容。物 体表面发出的光是极其复杂的，它既与环境中光源的 数目、形状、位置、光谱组成和光强分布有关，也与 物体本身的反射特性和物体表面的朝向有关，甚至还 与人眼对光线的生理和心理视觉因素有关。把这一切 都通过计算机精确地计算出来是不现实的，我们只能 用尽可能精确的数学模型——光照模型来模拟光和物 体的相互作用，从而近似地计算物体可见表面每一点 的亮度和颜色。
表面图案与纹理--表面图案的描绘
表面图案（Surface Patterns）的描绘，是指将一张平面图案 (pattern)描绘到物体表面上去并进行三维明暗真实感显示的过程。
物体表面有图案，意味着物体表面的各点呈现不同的色彩和不同的 亮度，而这是由物体表面的反射或透射系数决定的。因此，在物体 表面绘上图案，也就是改变物体表面有关部分的反射或透射系数。 将一幅平面图案描绘到物体表面上去的过程为： 1.将平面图案上的各点（x¢ ,y¢ ）映射到物体表面上的各点 （x,y,z）. 2.根据式7-5-1求出（x,y,z）处新的反射系数。 3.用光照模型计算物体表面（x,y,z）的色彩明暗。
7.5 表面图案与纹理--表面纹理的描绘

纹理映射技术成功地解决了这一问题，通过定 义纹理与物体之间的映射关系，可以合成真实 感图形表面的花纹、图案和细微结构。纹理映 射大致可分为两类：一类用于改变物体表面的 图案和颜色；一类用来改变物体表面的法向量 以产生凹凸不平的效果。另外，也有人将通过 扰动函数来改变反射系数和透射系数的技术归 类为纹理映射，并分别称作反射纹理和透射纹 理。
表面对光的反射

朗伯余弦定律： Id = IpKd cos a 漫反射光的强度只与入射角有关 光照明方程（含环境光与漫反射光） I = Ie + Id = IaKa + IpKd cos a
简单光照明模型

镜面反射：
光滑表面，“高光”效果；理想反射面与非理想反射面

Phong 模型 光照明方程
光照模型--明暗的光滑处理
Phong光照明模型示意彩图
多边形绘制方法
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
体现在两个场合：高光区域的扩散 不产生高光区域

插值着色方法存在的问题
光照模型--明暗的光滑处理
图中上面的牛多边形网格模型用Phong模 型绘制 下面的同一个模型用增量式光照明模型 绘制
光线跟踪--光线跟踪的基本原理
光线跟踪（Ray-trace）是一种真实感地显示物体的方法，该 方法由Appel在1968年提出[11]。光线跟踪方法沿着到达视点的光线 的相反方向跟踪，经过屏幕上每一象素，找出与视线所交的物体表 面点 P0，并继续跟踪，找出影响P0点光强的所有的光源，从而算出 P0点上精确的光照强度。
对多边形网络中的每一个多边形，其着色步骤如下： 1）计算多边形的单位法矢量； 2）计算多边形顶点的单位法矢量；
3）利用光照明方程计算顶点的颜色； 4）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。
多边形绘制方法

Phong着色方法
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）计算多边形的单位法矢量； 2）计算多边形顶点的单位法矢量； 3）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； 4）利用光照明方程计算各点的颜色。
表面图案与纹理--表面图案的描绘
表面图案与纹理--表面纹理的描绘
和表面图案不同，表面纹理（Texture）的描绘用于表示细微的凹 凸不平的物体表面，如布纹、植物和水果的表皮等等。由于将这种 细微的表面凹凸表达为数据结构既很困难，又无必要（通常只是为 了逼真的视觉效果），因此通常用一种特殊的算法来模拟它，将纹 理逼真地显示出来，满足感官的需要。 Blinn在1978年提出用扰动物体表面法线方向的方法以模拟表面凹 凸纹理的真实感显示效果。该方法是对原表面上的法线方向，附加 一个扰动函数。该函数使得原来法线方向的光滑而缓慢的变化方式 变得剧烈而短促，通过光照与显示形成了表面的凹凸粗糙的显示效 果。
表面与纹理

从光照模型公式可以看出，物体的漫反射系数、镜面 反射系数和透明系数等物理量与物体所表现的颜色直 接相关。这些物理量是真实感图形绘制中常用的材质 参数，通常在建模的时候就定义好，并存储在相应的 数据结构中。材质参数是影响质感的重要参数，随意 给定的参数很难做到自然和真实。实际计算时应根据 实际材料的测量结果进行设定，若没有现成的测量结 果，则应根据图形效果对参数反复修正，以达到较好 的效果。但是若一个基本物体只指定一种简单的材质， 当然不能模拟自然界中精美的花纹和图案，图形的逼 真程度同样会受到很大的限制。