1、清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系第第4章章真實(shí)感圖形學(xué)真實(shí)感圖形學(xué) 真實(shí)感圖形學(xué)研究什么？ 早期，計(jì)算機(jī)的速度，使人們滿足于線框圖 1967年， Wylie開始了用計(jì)算機(jī)生成真實(shí)感 圖形的探索。 21世紀(jì)，圖形無所不在！清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容內(nèi)容 顏色視覺顏色視覺簡單光照明模型簡單光照明模型 局部光照明模型光透射模型 紋理及紋理映射整體光照明模

2、型 實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系41 顏色視覺顏色視覺分析以下的基本現(xiàn)象：為什么計(jì)算R、G、B三個(gè)分量就可以使人有顏色的視覺感覺？清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)基本概念基本概念 顏色是外來的光刺激作用于人的視覺器官而產(chǎn)生的主觀感覺，影響的因素有： 物體本身 光源 周圍環(huán)境 觀察者的視覺系統(tǒng)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)顏色的特性顏色的特性 顏色的三個(gè)視覺特性(心理學(xué)度量） 色調(diào)(Hue) 一種顏色區(qū)別于其他顏色的 因素，如：紅、綠、藍(lán) 飽和度(

3、Saturation) 顏色的純度 亮度(Lightness) 光給人的刺激的強(qiáng)度清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 對應(yīng)的顏色物理特性對應(yīng)的顏色物理特性 主波長（Dominant Wavelength) 產(chǎn)生顏色光的波長，對應(yīng)于視覺感知的色調(diào) 純度(Purity) 對應(yīng)于飽和度 明度(Luminance) 對應(yīng)于光的亮度清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)顏色紡錘體顏色紡錘體 顏色三特性的空間表示 垂直軸線表示白黑亮度變化 水平圓周上的不同角度點(diǎn)代表了不同色調(diào)的顏色 從圓心向圓周過渡表示同一色調(diào)

4、下飽和度的提高平面圓形上的色調(diào)和飽和度不同，而亮度相同清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)光的物理知識光的物理知識 光是人的視覺系統(tǒng)能夠感知到的電磁波 波長在400nm到700nm之間 (1nm=10-9m) 光可以由它的光譜能量分布 來表示 各種波長的能量大致相等，為白光)(P400700( )P能量波長nm清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 各波長的能量分布不均勻，為彩色光 包含一種波長的能量，其他波長都為零，是單色光400700( )P能量波長nm400700( )P能量波長nm清華大學(xué)計(jì)算

5、機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 光譜能量分布定義顏色十分麻煩 光譜與顏色的對應(yīng)關(guān)系是多對一 兩種光的光譜分布不同而顏色相同的現(xiàn)象稱為“異譜同色” 必須采用其他的定義顏色的方法，使光本身與顏色一一對應(yīng)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)三色學(xué)說三色學(xué)說 顏色視覺及真實(shí)感圖形學(xué)的生理基礎(chǔ)，顏色科學(xué)中最基本、最重要的理論 顏色具有恒常性，顏色之間的對比效應(yīng)能使人區(qū)分不同顏色 顏色具有混合性，牛頓在十七世紀(jì)后期用棱鏡把太陽光分散成光譜上的顏色光帶，證明白光由很多顏色光混合而成清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算

6、機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 十九世紀(jì)初 Yaung提出某種波長的光可以通過三種不同波長的光混合而復(fù)現(xiàn)出來的假說 紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三原色 把三種原色按照不同的比例混合就能準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)其他任何波長的光 三原色等量混合產(chǎn)生白光 Maxwell用旋轉(zhuǎn)圓盤證實(shí)了Yaung 假設(shè)。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 1862年，Helmhotz在上面的基礎(chǔ)上提出顏色視覺機(jī)制學(xué)說，即三色學(xué)說，也稱為三刺激理論 用三種原色能夠產(chǎn)生各種顏色的三色原理是當(dāng)今顏色科學(xué)中最重要的原理和學(xué)說清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

7、系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 近代三色學(xué)說 視網(wǎng)膜中存在著三種椎體細(xì)胞，對光刺激的興奮程度不同，分別感受紅、綠、藍(lán)光。作用與顏色混合相同 黃光刺激眼睛的例子 三色學(xué)說是真實(shí)感圖形學(xué)中RGB顏色模型提出的理論基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)CIE色度圖色度圖 三色學(xué)說原理說明任何一種顏色可以用紅、綠、藍(lán)三原色按照不同比例混合來得到。還有如何使三原色按某唯一比例混合復(fù)現(xiàn)給定顏色的問題。 顏色匹配混合光與給定光的顏色相同 CIE國際照明委員會 選取的標(biāo)準(zhǔn)紅、綠、藍(lán)三種光 (700, 546, 435.8)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)

8、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)CIE-RGB系統(tǒng)系統(tǒng) 光的顏色匹配式子： 權(quán)值r、g、b為顏色匹配中所需要的R、G、B三色光的相對量 1931年，CIE給出等能標(biāo)準(zhǔn)三原色匹配任意顏色的光譜三刺激值曲線400500600700nmnm波長-0.200.20.4三刺激值123crRgGbB清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)CIE-XYZ系統(tǒng)系統(tǒng) CIE-RGB曲線一部分三刺激值是負(fù)數(shù)，表明只能在給定光上疊加曲線中負(fù)值對應(yīng)的原色，去匹配另兩種原色的混合 計(jì)算不便，不易理解 1931年CIE-XYZ系統(tǒng)，利用三種假想的標(biāo)準(zhǔn)原色X、Y

9、、Z，使顏色匹配三刺激值都是正值： 任何顏色都能由標(biāo)準(zhǔn)三原色混合匹配（三刺激值是正的）cxXyYzZ清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)色度圖色度圖 復(fù)現(xiàn)顏色的三原色比例值是否唯一？ 三刺激空間用三原色的單位向量定義三維顏色空間 顏色刺激表示為三刺激空間中以原點(diǎn)為起點(diǎn)的向量，向量的方向代表顏色清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 三刺激空間 色度平面 色度圖YR RG GB BG=1R=1B=1QXZ(x,y,z)色度平面清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形

10、學(xué)基礎(chǔ) 在三刺激空間上取通過（R）、（G）、（B）坐標(biāo)軸單位向量的截面，截面的方程為（R）（G）（B）1。該截面與三個(gè)坐標(biāo)平面的交線構(gòu)成一個(gè)等邊三角形，稱為色度圖 顏色刺激向量與色度圖有且僅有唯一交點(diǎn)，色度圖可以唯一的表示三刺激空間中的所有顏色值清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 色度圖上每一個(gè)點(diǎn)代表不同的顏色，對于三刺激空間中坐標(biāo)為X、Y、Z的顏色刺激向量Q，它與色度圖交點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y，z）即三刺激值也被稱為色度值,XYZxyzXYZXYZXYZ清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)CIE色度圖

11、色度圖 CIE色度圖色度圖投影到XY平面上 馬蹄形區(qū)域的邊界和內(nèi)部代表了所有可見光的色度值 邊界彎曲部分代表了光譜在某種純度為百分之百的色光 色度圖與三刺激值是描述顏色的標(biāo)準(zhǔn)精確方法，應(yīng)用較復(fù)雜清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) CIE色度圖 Z=1-X-Y 二維表示清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)常用顏色模型常用顏色模型 顏色模型是指某個(gè)三維顏色空間中的一個(gè)可見光子集，包含某個(gè)顏色域的所有顏色 顏色模型的用途是在某個(gè)顏色域內(nèi)方便地指定顏色清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)

12、算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)RGB顏色模型顏色模型 通常使用于彩色光柵圖形顯示設(shè)備中 真實(shí)感圖形學(xué)中的主要的顏色模型 采用三維直角坐標(biāo)系 RGB立方體藍(lán)（0，0，1）青（0，1，1）綠（0，1，0）白（1，1，1）品紅（1，0，1）紅（1，0，0）黃（1，1，0）黑（0，0，0）清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)紅藍(lán)綠黃紅綠品紅紅藍(lán)青綠藍(lán)白紅綠藍(lán) 紅、綠、藍(lán)原色混合在一起可以產(chǎn)生復(fù)合色 三原色混合效果清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)CMY顏色模型 以紅、綠、藍(lán)的補(bǔ)色青、品紅、黃為原色構(gòu)成的顏

13、色模型 常用于從白光中濾去某種顏色，又被稱為減性原色系統(tǒng)，在白色中減去某種顏色來定義一種顏色 用于印刷行業(yè)中清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)青白紅黃白藍(lán)品紅白綠藍(lán)白紅綠綠白紅藍(lán)紅白綠藍(lán)黑白紅綠藍(lán) 印刷硬拷貝設(shè)備的顏色處理 在白紙面上涂黃色和品紅色，紙面上將呈現(xiàn)紅色白光被吸收了藍(lán)光和綠光，只能反射紅光 RGB顏色模型與CMY顏色模型都是面向硬件模型清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)HSV顏色模型顏色模型 HSV顏色模型是面向用戶的 對應(yīng)圓柱坐標(biāo)系的圓錐形子集 圓錐的頂面對應(yīng)于V=1 色彩H由繞V

14、軸的旋轉(zhuǎn)角給定 飽和度S取值從0到1，由圓心向圓周過渡紅（0度）藍(lán)（240度）綠（120度）黃品紅青0.01.0HSV清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)畫家配色方法畫家配色方法 HSV模型對應(yīng)畫家的配色的方法 在一種純色中加入白色以改變色濃，加入黑色以改變色深。同時(shí)加入不同比例的白色，黑色即可得到不同色調(diào)的顏色白灰黑純色色濃色深色調(diào)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)RGB模型與模型與HSV模型聯(lián)系模型聯(lián)系 RGB立方體從白色頂點(diǎn)沿著主對角線向原點(diǎn)方向投影，可以得到一個(gè)正六邊形，該六邊形是HSV圓

15、錐頂面的一個(gè)真子集 RGB空間的主對角線，對應(yīng)于HSV空間的V軸白紅黃綠青藍(lán)品紅清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系42 簡單光照明模型簡單光照明模型模擬物體表面的光照明物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型光照明模型簡單光照明模型只考慮光源對物體的直接光照清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)早期發(fā)展早期發(fā)展 1967年，Wylie等人第一次在顯示物體時(shí)加進(jìn)光照效果，認(rèn)為光強(qiáng)與距離成反比。 1970年，Bouknight提出第一個(gè)光反射模型：Lambert漫反射環(huán)境光 1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的思想 1975年，Phong提出圖

16、形學(xué)中第一個(gè)有影響的光照明模型清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)物理知識相關(guān)物理知識 光的傳播 反射定律：入射角等于反射角，而且反射光線、入射光線與法向量在同一平面上清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)折射定律折射定律 折射定律：折射線在入射線與法線構(gòu)成的平面上，折射角與入射角滿足入射光折射光2112sinsin清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)能量關(guān)系能量關(guān)系在光的反射和折射現(xiàn)象中的能量分布： 下標(biāo)為i,d,s,t,v的能量項(xiàng)分別表示為入射光

17、強(qiáng)，漫反射光強(qiáng)，鏡面反射光強(qiáng)，透射光強(qiáng)，吸收光強(qiáng)能量是守恒的idstvIIIII清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)光的度量光的度量 立體角：面元ds向點(diǎn)光源P所張的立體角為 點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度 單位時(shí)間內(nèi)通過面元ds的光能量為光通量dF 點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度為某個(gè)方向上單位立體角的內(nèi)的光通量P Pdds2dsdr2dFdFIrdds清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)Phong光照明模型光照明模型 簡單光照明模型模擬物體表面對光的反射作用 光源為點(diǎn)光源 反射作用分為鏡面反射(Specular Reflection)

18、漫反射(Diffuse Reflection) 物體間作用用環(huán)境光(Ambient Light)表示清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)Phong模型幾何模型幾何P PL LN NH HR RV V清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)Phong模型的表示模型的表示 理想漫反射漫反射光均勻向各方向傳播，與視點(diǎn)無關(guān)由Lambert余弦定律，漫反射光強(qiáng)為 是與物體有關(guān)的漫反射系數(shù)，漫反射系數(shù) 有三個(gè)分量 ，分別代表RGB三原色的漫反射系數(shù)，通過調(diào)整它們來設(shè)定物體的顏色dK10dKdKdbdgdrKKK,(

19、)dpdII KL N清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)鏡面反射光鏡面反射光 對一般的光滑表面，反射光集中在一個(gè)范圍內(nèi)，且由反射定律決定的反射方向光強(qiáng)最大 鏡面反射光強(qiáng)可表示為 是與物體有關(guān)的鏡面反射系數(shù)，n為反射指數(shù)，反映物體表面的光澤程度，數(shù)目越大物體表面越光滑sK()nspsIIKR V清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)反射方向計(jì)算鏡面反射光將會在反射方向附近形成很亮的光斑，稱為高光現(xiàn)象鏡面反射光產(chǎn)生的高光區(qū)域只反映光源的顏色鏡面反射系數(shù) 是一個(gè)與物體的顏色無關(guān)的參數(shù)LLNNLNR2cos

20、2sK清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)環(huán)境光環(huán)境光 環(huán)境光是指光源間接對物體的影響 光在物體和環(huán)境之間多次反射，最終達(dá)到平衡 同一環(huán)境下的環(huán)境光光強(qiáng)分布均勻 近似表示： 為物體對環(huán)境光的反射系數(shù)aKeaaIIK清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)Phong光照明模型光照明模型 Phong光照明模型的綜合表述：由物體表面上一點(diǎn)P反射到視點(diǎn)的光強(qiáng)I I為環(huán)境光的反射光強(qiáng) 、理想漫反射光強(qiáng) 、和鏡面反射光 的總和。eIdIsI()()naapdpsII KI KL NI K R V清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與

21、技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)Phong模型的實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)現(xiàn) 對物體表面上的每個(gè)點(diǎn)P，均需計(jì)算光線的反射方向。為了減少計(jì)算量，假設(shè)：光源在無窮遠(yuǎn)處，L為常向量視點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處，V為常向量 （HN）近似（RV），H為L與V的平分向量 對所有的點(diǎn)總共只需計(jì)算一次H的值，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) Phong光照明模型的RGB顏色模型形式:nsbpbdbpbababbnsgpgdgpgagaggnsrprdrprararrNHKINLKIKIINHKINLKIKIINHKINLKIKII)()()

22、()()()(清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)Phong光照明模型的不足光照明模型的不足 Phong光照明模型是真實(shí)感圖形學(xué)中提出的第一個(gè)有影響的光照明模型 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停琍hong模型存在不足：顯示出的物體象塑料，無質(zhì)感變化沒有考慮物體間相互反射光鏡面反射顏色與材質(zhì)無關(guān)鏡面反射大入射角失真現(xiàn)象清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)Phong模型示例模型示例_1理想漫反射環(huán)境光+境面反射+=清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)Phong模型示例模型示例_

23、2 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)增量式光照明模型增量式光照明模型 Phong模型光強(qiáng)計(jì)算公式是物體表面法向量的函數(shù) 多邊形內(nèi)部的象素顏色相同 不同法向的多邊形鄰接處有光強(qiáng)突變及馬赫帶效應(yīng) 保證多邊形之間的顏色光滑過渡增量式光照明模型清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)基本思想基本思想 在每個(gè)多邊形頂點(diǎn)處計(jì)算光照明強(qiáng)度或參數(shù)，然后在各個(gè)多邊形內(nèi)部進(jìn)行雙線性插值，得到多邊形光滑均勻顏色分布 兩個(gè)主要算法 雙線性光強(qiáng)插值、Gouraud明暗處理雙線性法向插值、Phong明暗處理清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與

24、技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)Gouraud雙線性光強(qiáng)插值雙線性光強(qiáng)插值 Gouraud于1971年提出，又被稱為Gouraud明暗處理 計(jì)算多邊形各頂點(diǎn)的光強(qiáng)，再用雙線性插值，求出多邊形內(nèi)部各點(diǎn)的光強(qiáng)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)算法描述算法描述 算法步驟的基本描述：計(jì)算多邊形頂點(diǎn)的平均法向用簡單光照明模型計(jì)算頂點(diǎn)的平均光強(qiáng)插值計(jì)算離散多邊形邊上的各點(diǎn)光強(qiáng)插值計(jì)算多邊形內(nèi)域中各點(diǎn)的光強(qiáng)。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 與某個(gè)頂點(diǎn)相鄰的所有多邊形的法向平

25、均值近似作為該頂點(diǎn)的近似法向量 頂點(diǎn)A相鄰的多邊形有k個(gè)，它的法向量計(jì)算為： 計(jì)算出的平均法向一般與該多邊形物體近似曲面的切平面比較接近頂點(diǎn)法向計(jì)算頂點(diǎn)法向計(jì)算121()akNNNNk清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)頂點(diǎn)平均光強(qiáng)計(jì)算頂點(diǎn)平均光強(qiáng)計(jì)算 用Phong光照明模型及平均法向量計(jì)算在頂點(diǎn)A處的光強(qiáng) Gouraud提出明暗處理方法時(shí)，Phong模型還沒有出現(xiàn)，采用：()/aapdaII KI KL Nrk（）清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)光強(qiáng)插值光強(qiáng)插值 雙線性光強(qiáng)插值由頂點(diǎn)的光強(qiáng)插值

26、計(jì)算各邊的光強(qiáng)，然后由各邊的光強(qiáng)插值計(jì)算出多邊形內(nèi)部點(diǎn)的光強(qiáng)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)1212()/()aIIIyy,1,a ja jaIII增量算法增量算法 掃描線由j變成j+1,新掃描線上邊點(diǎn)光強(qiáng)： 掃描線內(nèi)部，橫坐標(biāo)由i增為i+1，掃描線上象素點(diǎn)的光強(qiáng)：,1,b jb jbIII1414()/()bIIIyy1,isi ssIII 1()sbabaIIIxx清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)Phong雙線性法向插值雙線性法向插值 雙線性光強(qiáng)插值解決了相鄰多邊形之間的顏色突變問題，鏡

27、面反射效果不太理想，相鄰多邊形的邊界處的馬赫帶效應(yīng)不能完全消除 改進(jìn)Phong提出雙線性法向插值，以時(shí)間為代價(jià)，引入鏡面反射，解決高光問題清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)算法特點(diǎn)算法特點(diǎn) 保留雙線性插值，對多邊形邊上的點(diǎn)和內(nèi)域各點(diǎn)，采用增量法。 對頂點(diǎn)的法向量進(jìn)行插值，而原頂點(diǎn)的法向量，仍用相鄰多邊形的法向作平均 由插值得到法向，來計(jì)算多邊形每個(gè)象素的光強(qiáng)度 假定光源與視點(diǎn)均在無窮遠(yuǎn)處，光強(qiáng)只是法向量的函數(shù)。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)法向插值方法法向插值方法 方法與光強(qiáng)插值類似，其中的

28、光強(qiáng)項(xiàng)用法向量項(xiàng)來代替?；竟剑?增量插值計(jì)算也類似，用法向代替光強(qiáng)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)增量式光照明模型評價(jià)增量式光照明模型評價(jià) 雙線性光強(qiáng)插值能有效的顯示漫反射曲面，計(jì)算量小 雙線性法向插值可以產(chǎn)生正確的高光區(qū)域，但是計(jì)算量要大的多 增量式光照明模型的不足 物體邊緣輪廓是折線段而非光滑曲線 等間距掃描線會產(chǎn)生不均勻效果 插值結(jié)果決定于插值方向清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)增量式模型示例增量式模型示例 牛的三角網(wǎng)格模型 用簡單光照明模型顯示 用增量式光照明模型顯示清華大學(xué)計(jì)算

29、機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)陰影的生成陰影的生成 點(diǎn)光源產(chǎn)生的陰影。光源作為觀察點(diǎn)，用傳統(tǒng)隱藏面消除算法可求得陰影區(qū)域 陰影多邊形算法 1978年，Atherton等人提出 第一次用隱藏面消除技術(shù)來生成陰影 相對光源可見的多邊形被稱為陰影多邊形 區(qū)分陰影多邊形，陰影區(qū)域域減少顯示光強(qiáng)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 陰影域多面體算法陰影域多面體算法 光源照射不到的物體后面形成的三維多面體陰影區(qū)域?yàn)殛幱坝?陰影域是一個(gè)以被光照面為頂面，表面的邊界與光源所張的平面系列為側(cè)面的一個(gè)半開三維區(qū)域 物體的陰影

30、域被視空間四棱椎裁剪得到的三維陰影域變成封閉多面體，為陰影域多面體 包含于陰影多面體內(nèi)的物體表面是陰影區(qū)域清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 物體與陰影多面體三維布爾交求陰影區(qū)域，涉及大量的復(fù)雜三維布爾運(yùn)算，算法的計(jì)算復(fù)雜度是相當(dāng)可觀 Crow于1977年提出基于掃描線隱藏面消除算法來生成陰影，可以有效的判定一個(gè)物體表面是否包含在陰影域多面體之內(nèi)。在傳統(tǒng)算法基礎(chǔ)上稍加改動即可，應(yīng)用廣泛清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)其他方法其他方法 整體光照明模型如光線跟蹤算法和輻射度算法都可以很好的處理陰影

31、的生成問題，將在后面討論清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系4局部光照明模型局部光照明模型從光電學(xué)知識和物體微平面假設(shè)出發(fā)，介紹鏡面反射與物體材質(zhì)有關(guān)的局部光照明模型清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)前前 言言 僅處理光源直接照射物體表面的光照明模型稱為局部光照明模型 可以處理物體之間光照的相互作用的模型稱為整體光照明模型 簡單光照明模型，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停蛔阒?鏡面反射項(xiàng)與物體表面的材質(zhì)無關(guān) 本節(jié)介紹復(fù)雜、普遍的局部光照明模型清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技

32、術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ) 光的電磁理論自然光反射率系數(shù)的Fresnel公式 是入射角，折射率分別為 和 ，那么 滿足這樣的一個(gè)式子：反射率與折射率有關(guān).又由于折射率是入射光的波長的函數(shù),是波長的函數(shù))(sin)(sin)()(212222tgtg),(1n2nsinsin21nn清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)微平面理論微平面理論 簡單光照明模型假定物體表面是理想光滑的，微觀情況下，物體表面粗糙不平 局部光照明模型中希望反映物體表面的粗糙程度粗糙物體表面由無數(shù)微小理想鏡面組成這些平面朝向各

33、異，隨機(jī)分布對于每一個(gè)微平面，只有在它的反射方向上才有反射光，理想鏡面反射清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)微平面示意微平面示意清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 微平面是理想鏡面，反射率可用Fresnel公式計(jì)算，而粗糙表面的反射率與表面的粗糙度有關(guān) 實(shí)際物體反射率：D為微平面法向的分布函數(shù)G為由于微平面的相互遮擋或屏蔽而使光產(chǎn)生的衰減因子),(GD反射率的計(jì)算反射率的計(jì)算清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)微平面法向分布函數(shù)微平面法向分布函數(shù)

34、Torrance和Sparrow采用Gauss分布函數(shù)模擬法向分布：k為常系數(shù)a為微平面的法向與平均法向的夾角，即m為微平面斜率的均方根，表示表面的粗糙程度2)/(makeD)(HN nmmmmn22221清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 也可采用Berkmann分布函數(shù)模擬微平面的法向分布： 微平面法向的分布函數(shù)D表示微平面的法向與平均法向的夾角為 的微平面占整個(gè)微平面的比例；m越小,表面越光滑 在簡單光照明模型中，也可看作一種微平面法向分布函數(shù)22/42cos1matgemDncos清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算

35、機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)衰減因子衰減因子 衰減因子G在局部光照明模型中也可以反映物體表面的粗糙程度 衰減因子是由于微平面的相互遮擋或屏蔽而產(chǎn)生的 微平面相互遮擋的光衰減因子G，有三種情況：清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 光路沒有遮擋， G1LHV清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 部分反射光被遮擋)()( 2HVVNHNGm清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 部分入射光被遮擋)()( 2HVLNHNGs清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)

36、算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 實(shí)際的應(yīng)用中，把上述三種情況衰減因子G的最小值作為該微平面的衰減因子smGGG, 1Min清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)局部光照明模型 Cook和Torrance于1981年提出 表示物體對入射光的反射率系數(shù)反射光的光強(qiáng)單位時(shí)間內(nèi)單位面積上的入射光能量bdRirbdEIRrIiE清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 入射光能量 ,可用入射光的光強(qiáng) 和單位面積向光源所張的立體角 表示為: 于是有反射光光強(qiáng)：iEiIddLNIdIEiii)(cos

37、dLNIRIibdr)(ddscosdsN清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 反射率系數(shù)可表示為漫反射率與鏡面反射率的代數(shù)和 漫反射與鏡面反射系數(shù)物體表面的漫反射率 受入射光波長的影響；物體表面的鏡面反射率ssddbdRKRKR1sdKK)(ddRR )(),(VNLNDGRs清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 局部光照明模型表示 物體表面反射光強(qiáng) 表示環(huán)境光的影響最后一項(xiàng)是考慮了物體表面性質(zhì)后的反射光強(qiáng)度量，是該局部光照明模型的復(fù)雜性與普遍性所在)()(ssddiaarRKRKdLNIKIIr

38、IaaKI清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)簡單與局部模型比較簡單與局部模型比較 簡單光照明模型(Phong) 局部光照明模型清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)局部模型的優(yōu)點(diǎn)局部模型的優(yōu)點(diǎn) 相對于簡單光照明模型而言基于入射光能量導(dǎo)出的光輻射模型反映表面的粗糙度對反射光強(qiáng)的影響高光顏色與材料的物理性質(zhì)有關(guān) 改進(jìn)入射角很大時(shí)的失真現(xiàn)象考慮了物體材質(zhì)的影響，可以模擬磨光的金屬光澤清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系44 紋理及紋理映射紋理及紋理映射 解決計(jì)算機(jī)生成真實(shí)感圖象缺乏現(xiàn)實(shí)物體

39、表面細(xì)節(jié)的問題清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)紋理的概述紋理的概述 用簡單光照明模型生成真實(shí)感圖象，由于表面過于光滑單調(diào)，反而顯得不真實(shí) 現(xiàn)實(shí)物體表面有各種表面細(xì)節(jié)紋理木材表面的木紋建筑物墻壁上的裝飾圖案桔子皮表面的皺紋清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)示例示例紋理 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)模型模型 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)映射映射 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科

40、學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)紋理紋理 紋理是物體表面的細(xì)小結(jié)構(gòu) 紋理類型 顏色紋理， 二維紋理，物體表面花紋、圖案 三維紋理，木材紋理 幾何紋理，基于物體表面的微觀幾何形狀 法向擾動清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)紋理映射紋理映射 紋理映射是把紋理圖象值映射到三維物體的表面的技術(shù) 紋理映射的問題改變物體的屬性，可以產(chǎn)生紋理的效果，對簡單光照明模型而言 改變漫反射系數(shù)來改變物體的顏色 改變物體表面的法向量清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 紋理定義方法： 圖象紋理：將二維紋理圖案映

41、射到三維物體表面，繪制物體表面上一點(diǎn)時(shí)，采用相應(yīng)的紋理圖案中相應(yīng)點(diǎn)的顏色值。 函數(shù)紋理：用數(shù)學(xué)函數(shù)定義簡單的二維紋理圖案，如方格地毯。或用數(shù)學(xué)函數(shù)定義隨機(jī)高度場，生成表面粗糙紋理即幾何紋理 進(jìn)行紋理映射 建立紋理與三維物體之間的對應(yīng)關(guān)系 擾動法向量清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)原始模型原始模型 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)二維紋理二維紋理 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)幾何紋理幾何紋理 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與

42、技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)綜合綜合 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)三維紋理三維紋理清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)) 10, 10(vu紋理空間紋理空間 紋理定義在單位正方形區(qū)域 之上，稱為紋理空間 紋理函數(shù)是定義在此空間上的函數(shù) 紋理空間也可用其他方法定義 用參數(shù)曲面的參數(shù)域作為紋理空間 2D 用輔助平面、圓柱、球定義紋理空間 2D 用三維直角坐標(biāo)作為紋理空間 3D清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)二維紋理域的映射二維紋理域的

43、映射 紋理映射中最常見的紋理 一個(gè)二維紋理的函數(shù)表示 紋理圖象evenvuoddvuvug881880),(V (0，1) (0，0) （1，0） U清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)映射方法映射方法 建立物體空間坐標(biāo)(x，y，z)和紋理空間坐標(biāo)(u，v)之間的對應(yīng)關(guān)系 對物體表面進(jìn)行參數(shù)化，反求出物體表面的參數(shù)后，根據(jù)(u，v)得到該處的紋理值，并用此值取代光照明模型中的相應(yīng)項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)紋理映射清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 圓柱面映射 圓柱面的參數(shù)方程 圓柱面上一點(diǎn)(x，y，z)的參數(shù)即紋理

44、坐標(biāo)vzvuyuux10)2sin(10)2cos(其它，如果如果)(0),(0),(),(22zxyyxyzxxzyvu清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 球面映射 球面參數(shù)方程 球面上一點(diǎn)(x，y，z)的參數(shù)即紋理坐標(biāo))2sin(10)2cos()2sin(10)2cos()2cos(vzvvuyuvux其它，如果， )(11)(11()0 , 0(),( )00(),(22222222yyxyxxyxyxyxvu清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)映射方式映射方式清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清

45、華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)三維紋理域的映射三維紋理域的映射 二維紋理域，三維圖形場景物體，二維紋理映射是一種非線性映射紋理變形不能保證紋理連續(xù)性 三維物體每一個(gè)點(diǎn)(x,y,z)均有一個(gè)紋理值t(x,y,z)，那么物體空間就可以映射到一個(gè)三維紋理空間上了三維紋理域映射清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)三維紋理映射三維紋理映射 紋理空間定義在三維空間上，與物體空間是同維的 把場景中的物體變換到紋理空間的局部坐標(biāo)系中去 通過物體空間坐標(biāo)(

46、x,y,z)來計(jì)算紋理坐標(biāo)(u,v,w)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)幾何紋理幾何紋理 幾何紋理方法對物體表面幾何性質(zhì)作微小擾動，產(chǎn)生凹凸不平的細(xì)節(jié)效果，給物體表面圖象加上一個(gè)粗糙的外觀 物體表面上的每一個(gè)點(diǎn)P(u,v)，都沿該點(diǎn)處的法向量方向位移F(u,v)個(gè)單位長度，新表面位置：),(*),(),(),(vuNvuFvuPvuP清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 通過對兩個(gè)偏導(dǎo)數(shù)求叉積得到 F相對很小，忽略不計(jì)，有vvvvuuuuvuFNNFPdvFNPdPFNNFPduFNPdPPPN

47、)()()()()()()(NNFFNPFPNFPPNFPNFPNvuuvvuvuvvuu新表面法向量計(jì)算新表面法向量計(jì)算清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)幾何紋理實(shí)現(xiàn)幾何紋理實(shí)現(xiàn) 擾動后的法向量單位化，用于計(jì)算曲面的明暗度，產(chǎn)生凹凸不平的幾何紋理 F的偏導(dǎo)數(shù)的計(jì)算，可以用中心差分實(shí)現(xiàn) 幾何紋理函數(shù)定義可以用統(tǒng)一的圖案紋理記錄圖案中較暗的顏色對應(yīng)較小F值，較亮的顏色對應(yīng)較大F值，把各象素的值一個(gè)二維數(shù)組記錄下來，就是幾何紋理統(tǒng)一表示清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)紋理映射例子紋理映射例子 地板

48、與墻都是經(jīng)過二維圖象紋理映射后的平面清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖

49、形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)從微軟考題說起 將一張圖象映到一張平面上 A B清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 建立一個(gè)映射關(guān)系F：A B 方法1：用F將A上的每個(gè)象素映射到B上。 方法2：對B上的每個(gè)象素反求A上的對

50、應(yīng)象素，將其屬性映射到B上。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系45 光透射模型光透射模型光線與透明或半透明表面相交會產(chǎn)生反射與折射，折射光穿過物體形成透射光。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)光透射模型的研究光透射模型的研究 早期簡單透射現(xiàn)象的模擬 1980年，Whitted光透射模型，首次考慮了光線的折射現(xiàn)象 1983年，在Whitted的基礎(chǔ)上，Hall光透射模型，考慮了漫透射和規(guī)則透射光清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)透明效果的簡單模擬透明效果的簡單模擬 不考慮透明體對

51、光的折射以及透明物體本身的厚度 顏色調(diào)和法 光通過物體表面不改變方向),(yxaIbI透明體不透明體清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 光強(qiáng)計(jì)算：t是物體的透明度,在0,1之間前后兩物體光強(qiáng)可由簡單光照明模型計(jì)算 可用隱藏面消除算法實(shí)現(xiàn)，模擬平玻璃的透明效果abIttII)1 ( 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)Whitted光透射模型光透射模型 在簡單光照明模型的基礎(chǔ)上 加上透射一項(xiàng)，得到Whitted光透射模型 為折射方向光強(qiáng)， 為透射系數(shù)，是01之間的常數(shù)tItK)()(ttnspdpa

52、aKINHKINLKIKII清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 如果該透明體又是一個(gè)鏡面反射體，加上反射光一項(xiàng)，得到較完整的Whitted光透射模型： 為鏡面反射方向的入射光強(qiáng)度； 為鏡面反射系數(shù)，為01之間的一個(gè)常數(shù))()(ssttnspdpaaKIKINHKINLKIKIIsIsK清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) Whitted光透射模型的折射方向和鏡面反射方向都是相對于視線而言的，是使視線在折射方向和反射方向的入射光的方向，而且方向與光轉(zhuǎn)播的方向相反 在簡單光照明模型的情況下，折射光強(qiáng)和

53、鏡面反射光強(qiáng)是折射方向上和反射方向上的環(huán)境光的光強(qiáng)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 反射、折射方向計(jì)算反射、折射方向計(jì)算 已知視線方向V，求其反射方向S與折射方向T 光學(xué)幾何原理 視線V的反射方向S N是表面的法向方向VVNNS)(2NVSLT11212清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)折射方向折射方向 V,N,T均為單位向量 是視點(diǎn)所在空間的介質(zhì)折射率， 為物體的折射率 折射定律： Whitted：視線V的折射方向T 其中 ，121221sinsinNVNkTf) (222/1VNVkfVN

54、VV清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) Heckbert的折射方向計(jì)算方法更簡單 其中 計(jì)算出的結(jié)果T為單位向量NVT)cos1(cos112)cos1 (11cos1222VN 1cos清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)Hall光透射模型光透射模型 在Whitted光透射模型基礎(chǔ)上推廣而來 可以處理規(guī)則透射高光，以及理想的漫透射 理想漫透射透明體的粗糙表面對透射光的作用表現(xiàn)為漫透射，透射光的光強(qiáng)在各個(gè)方向均相等 為物體的漫透射系數(shù))(LNKIIdtpdtdtK清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)

55、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 規(guī)則透射高光半透明的物體，視點(diǎn)在透射方向附近也能見到部分透射光。在折射方向周圍形成高光域 高光光強(qiáng)計(jì)算 為物體的透明系數(shù)，n為反映物體表面光澤的常數(shù)ntptVTKII)( NVLTpIP PtK清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 減少計(jì)算量的假設(shè)光源在無窮遠(yuǎn)處，L方向?yàn)槌Ａ恳朁c(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處，V方向?yàn)槌Ａ坑?代替 為虛擬理想透射面法向 該法向使視線為光線的折射方向)(NHt)(VTtH清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)arcsinarcsin12c

56、使用使用Hall模型模型 注意點(diǎn) 視點(diǎn)與光源透明體兩側(cè)，才能透過透明體看到透射高光 不考慮光線射入透明體時(shí)的折射 折射的全反射臨界角現(xiàn)象： 光線從高密介質(zhì)射向低密介質(zhì)、入射角大于臨界角時(shí)，不再發(fā)生折射，只有內(nèi)部反射 臨界角：清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)的求解的求解 為當(dāng)視線為光線折射方向時(shí)的面法向 tHtH12cos1cos1VLHtVLT，1212虛擬透明面P PtHtHVL)cos1(cos112清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 簡化、單位化： 符號由折射率確定 時(shí)，取正號，否則取負(fù)

57、號VLVLsignHt121221)(21清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ))()( )()(,ssttjnjttjdtipinissidsipaaKIKIHNKLNKINHKNLKIKIIts簡單光反射透射模型簡單光反射透射模型 綜合簡單光照明模型，Whitted光透射模型和Hall光透射模型： 是本章前面幾節(jié)的總結(jié)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系46 整體光照明模型整體光照明模型模擬復(fù)雜逼真的光照明現(xiàn)象在本章中主要介紹光線跟蹤算法清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)光線跟蹤

58、算法研究光線跟蹤算法研究 真實(shí)感圖形學(xué)中的主要算法之一 1968年Apple A給出光線跟蹤算法的描述 1979年Kay和Greenberg的研究考慮了光的折射 1980年Whitted提出了第一個(gè)整體光照明Whitted模型，并給出一般性光線跟蹤算法的范例清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)光線跟蹤的基本原理光線跟蹤的基本原理 光線在物體之間的傳播方式由光源發(fā)出的光到達(dá)物體表面后，產(chǎn)生反射和折射。 由光源發(fā)出的光稱為直接光，物體對直接光的反射或折射稱為直接反射和直接折射，相對的，把物體表面間對光的反射和折射稱為間接光，間接反射，間接折射光線跟蹤

59、算法基礎(chǔ)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 最基本的光線跟蹤算法是跟蹤鏡面反射和折射。從光源發(fā)出的光遇到物體的表面，發(fā)生反射和折射，光就改變方向，沿著反射方向和折射方向繼續(xù)前進(jìn)，直到遇到新的物體 光源發(fā)出光線，經(jīng)反射與折射，只有很少部分可以進(jìn)入人的眼睛 實(shí)際光線跟蹤方向與光傳播的方向相反清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ) 視線跟蹤-由視點(diǎn)與象素(x，y)發(fā)出一根射線，與第一個(gè)物體相交后，在其反射與折射方向上進(jìn)行跟蹤清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基

60、礎(chǔ)四種光線定義四種光線定義 在光線跟蹤算法中，有如下的四種光線 視線是由視點(diǎn)與象素(x，y)發(fā)出的射線 陰影測試線是物體表面上點(diǎn)與光源的連線 反射光線，視線反射方向光線 折射光線，視線折射方向光線清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)光強(qiáng)計(jì)算光強(qiáng)計(jì)算 光線V與物體表面交與點(diǎn)P時(shí)，光在點(diǎn)P對光線V方向的貢獻(xiàn)分為三部分由光源產(chǎn)生的直接的光線照射光強(qiáng)，是交點(diǎn)出處的局部光強(qiáng)jnjttjdtipinissidsipaatsHNKLNKINHKNLKIKII)()( )()(,清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)