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1、第十二讲 真实感图形绘制,现实世界中，物体所表现的颜色都是光能作用的结果。客观世界中的物体都不同程度地具有发射光线、吸收光线、反射光线和透射光线的能力。光线照射到物体表面时，一部分被吸收并转化为热能，其余部分被则反射或透射。正是部分反射或透射的光线被眼睛接收后，我们才感觉到物体的存在及其所特有的形状和色彩。因此，要绘制高度真实感图形，就必须定义场景中的光源。为了便于计算，我们必须定量地描述光的多少或强弱，亮度和强度就是用来定量描述光的两个基本概念。,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
2、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
3、面每一点的亮度和颜色。,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，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=KaIa Ie为物体表面所呈现的亮度。,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 reflect
4、ion):粗糙、无光泽的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,简单光照明模型,光的衰减 两个阶段：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,简单光照明模型,彩色场景的产生 1）选择一个合适的颜色模型 2）为颜色的三个分量分别建立光照明方程光照明方程固定颜色光的
5、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。,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
6、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。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
7、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。,光照模型-明暗的光滑处理,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,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
8、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。,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
9、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。光线跟踪算法的缺点是计算量非常大，因此，显示速度极慢。,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,整体光照明模型,物体之间的相互影响通过
10、光线在其间的漫反射、镜面反射、透射产生。光线跟踪方法辐射度方法,PHONE光照模型,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。,1982 年Cook和Torrance提出了一个基于物理光学的表面反射模型CookTorrance 模型，使得模型中反射光的位置和分布与实际情况
11、非常接近，因而用它绘制的图形具有很好的质感。CookTorrance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
12、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。,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。,纹理映射技术成功地
13、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。,表面细节模拟,光滑表面（简单光照明模型模拟）细节表面（复杂光照明模型模拟）颜色纹理与几何纹理表面细节多边形：模拟简单、规则的颜色纹理纹理映射：模拟精致、复杂的颜色纹理纹理来源：1）数字图像；2）数学公式定义的纹理函数法向扰动法：模拟凹凸不平的物体表面，多用于产生几何纹理。难度在于 扰动函数的
14、选取。,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：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）.根据式7-5-1求出（x,y,z）处新的反射系数。用光照模型计算物体表面（x,y,z）的色彩明暗。Rr(x,y,z)=K R(x,y)Rg(
15、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),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
16、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。,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。,表面颜色纹理是图形学中最常用的纹理之一，它通常用一个二维数组存放一幅数字化图象，用插值法来构造各点的纹理值。在进行图象纹理映射时，映射区域一般是一个三维空间上的平面或曲面，确定纹理图象和映射区域之间的对应关系是纹理映射的一个基本问题。对于平面来说，可将其旋转至与某个坐标平面重合，这样就成了一个二维平面，于是容易与图象域建立对应关系。对于空间曲面，一般用其二维参数域与纹理域对应。,用体纹理构造和绘制的树林的光线跟踪绘制效果图,风吹草地的效果图,
