计算机图形学--chp9-真实感绘制

1、计算机图形学计算机图形学吴 伟计算机学院E-mail: wuwei_2真实感绘制流程真实感绘制流程简单光照明模型简单光照明模型多边形绘制方法多边形绘制方法局部光照明模型局部光照明模型整体光照明模型整体光照明模型光线跟踪法光线跟踪法辐射度算法辐射度算法第9讲 真实感图形绘制3459.1 真实感绘制流程（1/2）n早期的光照明模型基于经验,只能反映光源直接照射的情况n比较精确的模型:通过模拟物体之间光的通过模拟物体之间光的相互作用相互作用，可以得到令人满意的结果。n主要步骤n三维形体消隐-明暗处理-真实感形体-变换-光栅化-真实感图像69.1 真实感图形绘制的四个步骤 (2/2)n用数学方法建立所

2、需三维场景的几何描述。通常是由三维造型系统完成。场景的几何描述直接影响了图形的复杂性和图形绘制的计算开销；n将三维几何描述转换为二维透视图。通过对场景的透视变换来完成；n隐藏面消除，确定场景中的所有可见面，将视野之外或被其它物体遮挡的不可见面消去；n计算场景中可见面的颜色。根据基于光学物理的光照明模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和色彩组成，并将它转换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一象素的颜色，最终生成图形。7内容提要n真实感绘制流程n简单光照明模型简单光照明模型n多边形绘制方法n局部光照明模型n整体光照明模型n光线跟踪法89.2 简单光照模型n仅考虑光源照射在物体表面产

3、生的反射光；n通常假定物体表面是光滑的且由理想材料构成，只考虑被照明物体的几何对反射和透射光的影响；n忽略光源的颜色和几何形状（点光源白光照明点光源白光照明）；n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。 但真实感较差，阴影区域边界尖锐。9n简单光照明模型:反射被分为理想漫反射和镜面反射光，n简单光透射模型:透射光分为理想漫透射光和规则透射光。n由光源发出的光称为直接光，物体对直接光的反射或折射称为直接反射和直接折射，相对的，把物体表面间对光的反射和折射称为间接光，间接反射，间接折射。9.2 简单光照模型109.2 简单光照模型n环境光n漫反射n镜面反射n光的衰减n产生彩色n采用多

4、个光源119.2.1 环境光n定义-光线在场景中经过复杂传播之后，形成的弥漫于整个空间的光线n光照明模型n 环境光亮度n 环境光反射系数n 物体表面呈现的亮度aaeIKI eIaKaI129.2.1 环境光（续）n例子例子 =1.0 ， =0.4， =0.8 aIaKaK139.2.2 漫反射(1/3)n点光源点光源-向周围辐射等强度的光向周围辐射等强度的光n漫反射漫反射-粗糙、无光泽物体（如粉笔）粗糙、无光泽物体（如粉笔）表面对光的反射表面对光的反射149.2.2 漫反射(2/3)n光照明方程n 点光源的亮度n 漫反射系数n 入射角2, 0cosdpdKIIpIdK159.2.2 漫反射（3

5、/3）n将环境光与漫反射结合起来n例子)(NLKIKIIIIdpaade169.2.3 镜面反射与Phong模型n高光高光-入射光在光滑物体表面形成的特别亮的区域n镜面反射镜面反射-光滑物体（如金属或塑料）表面对光的反射179.2.3 镜面反射与Phong模型（续）n理想镜面反射理想镜面反射189.2.3 镜面反射与Phong模型（续）n非理想镜面反射非理想镜面反射V-视点方向H199.2.3 镜面反射与Phong模型（续）nPhong模型模型或nn-镜面反射指数nspsKIIcosnspsRVKII)(209.2.3 镜面反射与Phong模型（续）n将环境光、漫反射于镜面反射结合起来nR的计

6、算，用的计算，用H*N代替代替n平行投影的好处，简化计算平行投影的好处，简化计算)()(nsdpaasdeRVKNLKIKIIIII219.2.4 光的衰减n光在光源到物体表面过程中的衰减光在光源到物体表面过程中的衰减n衰减函数n光照明方程) 1 ,1min()(2210dcdccdf)()()(nsdpaaRVKNLKIdfKII229.2.4 光的衰减（续）n光在物体表面到人眼过程中的衰减光在物体表面到人眼过程中的衰减nDepth Cueing技术)(00bbfbfbZZZZSSSSdcISISI)1 (00239.2.5 产生彩色n选择合适的颜色模型-RGB模型n为颜色模型中的每一种基色

7、建立光照明为颜色模型中的每一种基色建立光照明方程方程)()()(nsdpaaRVKNLKIdfKIIBGR,249.2.6 采用多个光源n采用m个光源的光照明方程minisidpiaaRVKNLKIdfKIIi1)()()(259.2.6 采用多个光源（续）269.3 多边形绘制方法n均匀着色n光滑着色nGouraud着色方法nPhong着色方法n插值着色方法存在的问题279.3.1 均匀着色(1/2)n方法n任取多边形上一点，利用光照明方程计算出它的颜色n用这个颜色填充整个多边形n适合于如下情况n光源在无穷远处n视点在无穷远处n多边形是物体表面的精确表示289.3.1 均匀着色（2/2）n优

8、点n每个多边形只需计算一次光照明方程，速度快n缺点n相邻多边形颜色过渡不光滑299.3.2 光滑着色n方法-插值插值n颜色插值n法矢量插值309.3.2 Gouraud 着色方法n颜色插值着色方法n步骤步骤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319.3.2 Gouraud 着色方法（续）3、利用光照明方程计算顶点颜色4、对多边形顶点颜色进行双线性插值，获得多边形内部各点的颜色1221121441141()()1()()1()()assbsssbbsasabaIIyyIyyyyIIyyIyyyyIIxxIxxxx32Phong双线性法向插值n双线性光强插值解决了相邻多边形之间

9、的颜色突变问题，镜面反射效果不太理想，相邻多边形的边界处的马赫带效应不能完全消除n改进改进Phong提出双线性，以时间为代价，引入镜面反射，解决高光问题339.3.3 Phong着色方法n法向插值着色方法n步骤步骤1、计算多边形单位法矢量2、计算多边形顶点单位法矢量3、对多边形顶点法矢量进行双线性插值，获得内部各点的法矢量4、利用光照明方程计算多边形内部各点颜色34法向插值方法n方法与光强插值类似，其中的光强项用法向量项来代替。基本公式：n增量插值计算也类似，用法向代替光强1221121441141()()1()()1()()assbsssbbsasabaNNyyNyyyyNNyyNyyyyN

10、NxxNxxxx359.3.3 Phong着色方法（续）1221121441141()()1()()1()()assbsssbbsasabaNNyyNyyyyNNyyNyyyyNNxxNxxxx369.3.4 插值着色方法存在的问题n不光滑的物体轮廓379.3.4 插值着色方法存在的问题（续）n透视变形n方向依赖性389.3.4 插值着色方法存在的问题（续）n公共顶点处颜色不连续n顶点方向不具有代表性39Phong模型示例_1理想漫反射环境光+境面反射+=40Phong模型示例_2 41增量式模型示例n牛的三角网格模型n用简单光照明模型显示n用增量式光照明模型显示429.3.5 产生阴影（1/

11、5）n概念n什么是阴影n光源不能直接照射的区域n对光源来说，不可见的面（隐藏面）n考虑阴影的光照明方程elseSRVKNLKIdfSKIIiminisidpiiaai1i0)()()(1个光源的阴影中处于第439.3.5 产生阴影（2/5）nZ缓冲器算法n步骤449.3.5 产生阴影（3/5）n优点n算法简单n缺点n每个光源需要一个阴影缓冲器459.3.5 产生阴影（4/5）n阴影细节多边形n算法步骤算法步骤1.在景物空间中，利用 裁剪算法求出被光源 直接照射的多边形或 其一部分2.将这些多边形作为表 面细节贴在物体表面上469.3.5 产生阴影（5/5）n光线跟踪n从可见点P向光源发出测试光

12、线，若该光线在到达光源之前与其它物体相交，则P点位于阴影区域中479.3.6 透明n简单透明n考虑折射的透明489.3.6 简单透明n简单透明不考虑折射现象n插值透明2111)1 (IKIKItt499.3.6 简单透明（续）n过滤透明n透射系数 越大颜色透射得越多n 不同的颜色系数不同211ICKIItt1tKtC509.3.6 考虑折射的透明n折射定律折射定律ittisinsin519.3.6 考虑折射的透明（续）n透射矢量的计算INTti)coscos(52内容提要n真实感绘制流程n简单光照明模型n局部光照明模型n整体光照明模型整体光照明模型n光线跟踪法53整体光照明模型n现有整体光照明

13、模型两种方法。n光线跟踪n辐射度549.4 整体光照明模型n要考虑周围环境的光周围环境的光对物体表面的影响。如光亮平滑的物体会将环境中其它物体映象在表面上，而透过透明物体可以看到其后的环境景象。n更精致的真实感图形的绘制还要考虑物体表面考虑物体表面的细节纹理的细节纹理（纹理映射）559.4 整体光照明模型与光线跟踪算法n整体光照明模型n光线跟踪算法的基本原理569.4 整体光照明模型整体光照明模型n物体表面入射光的构成（1）光源直接照射（2）其它物体的反射光（3）透射光n局部光照明模型仅考虑了（1）579.4 整体光照明模型（续）整体光照明模型（续）n整体光照明方程tttssslICKICKI

14、I589.5 光线跟踪法n早在1968年Apple A研究隐藏面消除算法时APPL68，就给出了光线跟踪算法的描述。n1979年Kay和Greenberg的研究考虑了光的折射KAY79。n1980年Whitted提出了第一个整体光照Whitted模型WHIT8059光线跟踪算法的基本原理n自然界中光线的传播过程光源光源物体表面物体表面物体表面物体表面人眼人眼n光线跟踪过程-光线传播的逆过程光线传播的逆过程60619.5 光线跟踪算法的基本原理（续）光线跟踪算法的基本原理（续）n关键关键n光线与物体表面的求交光线与物体表面的求交n阴影测试线阴影测试线S S n逢交点考察反射和折射逢交点考察反射和

15、折射n光线跟踪算法实际上是光照明物理过程的近似逆过光线跟踪算法实际上是光照明物理过程的近似逆过程，这一过程可以跟踪物体间的镜面反射光线和规程，这一过程可以跟踪物体间的镜面反射光线和规则透射，模拟了理想表面的光的传播。则透射，模拟了理想表面的光的传播。n虽然在理想情况下，光线可以在物体之间进行无限虽然在理想情况下，光线可以在物体之间进行无限的反射和折射，但是在实际的算法进行过程中，我的反射和折射，但是在实际的算法进行过程中，我们不可能进行无穷的光线跟踪，因而需要给出一些们不可能进行无穷的光线跟踪，因而需要给出一些跟踪的终止条件。跟踪的终止条件。62n终止条件：终止条件： l该光线未碰到任何物体l

16、该光线碰到了背景 l光线在经过许多次反射和折射以后，就会产生衰减，光线对于视点的光强贡献很小（小于某个设定值）。 l光线反射或折射次数即跟踪深度大于一定值。9.5 光线跟踪算法的基本原理（续）光线跟踪算法的基本原理（续）63n从视点出发，对于视屏上的每一个象素点，从视点作一条到该象素点的射线，调用该算法函数就可以确定这个象素点的颜色。9.5 光线跟踪算法的基本原理（续）光线跟踪算法的基本原理（续）649.5 光线跟踪算法伪码RayTracingRayTracing(start(start, direction, weight, color), direction, weight, color)

17、 if ( weight MinWeight if ( weight MinWeight ) ) color = black; color = black; else else 计算光线与所有物体的交点中离计算光线与所有物体的交点中离startstart最近的点；最近的点； if ( if ( 没有交点没有交点 ) ) color = black; color = black; else else Ilocal Ilocal = = 在交点处用局部光照模型计算出的光强；在交点处用局部光照模型计算出的光强； 计算反射方向计算反射方向 R R； RayTracing RayTracing( (最近

18、的交点最近的交点, R, weight, R, weight* *Wr, IrWr, Ir);); 计算折射方向计算折射方向 T T； RayTracing RayTracing( (最近的交点最近的交点, T, weight, T, weight* *Wt, It);Wt, It); color = Ilocal + KsIr+ KtIt color = Ilocal + KsIr+ KtIt; ; 659.5 光线跟踪算法的加速n基本的光线跟踪算法，每一条射线都要和所有的物体求交，然后再对所得的全部交点进行排序，才能确定可见点，对于复杂环境的场景，这种简单处理地效率就很低了，这里就需要对光线跟踪算法进行加速。n光线跟踪加速技术光线跟踪加速技术是实现光线跟踪算法的重要组成部分。加速技术主要包括以下几个方面：提高求交速度、减少求交次数、减少光线条数、采用广义光线和采用并行算法等。66n自适应深度控制n包围盒及层次结构 其基本原理是根据景物的分布情况，将相距较近的景物组成一组局部场景，相邻各组又组成更大的组，这样，将整个景物空间组织成树状的层次结构。n三维DDA算法n1. 先求出被跟踪光线的主轴方向dn2. 三维DDA网格跨越过程，可分解为两个二维D