计算机图形学：(1-3)Graphics Systems and Models-Image Formation

1、1Image Formation成像模型原著:Ed Angel编辑 武汉大学计算机学院图形学课程组2physical and synthetic 物理的和合成的图像的基本概念成像的物理基础Light光照Color颜色Perception感知Synthetic camera model虚拟照相机模型Other models其它模型3physical and synthetic 物理的和合成的传统成像方法：模拟过程产生二维图像physical imaging systems物理成像系统Cameras照相机Microscopes显微镜Telescopes望远镜Human visual system人

2、类视觉系统4成像组成元素(Elements of Image Formation)Elements of image formationObjects被观察对象 Viewer(观测者不同得到 的图象也不同)Light source(s)材料的属性确定光照射在物体上的效果注意对象、观察者以及光源是完全独立的Fig 1.8 A camera system with an object and a light source对象与观察者的独立性6Light and image可见光为电磁波的一部分，也就是人类视觉系统对它有反应的那部分波长大约介于350 780 nm (纳米, 10-8米)波长大的对应

3、于红色，短的对应于蓝色7几何光学与光线跟踪 (Ray Tracing and Geometric Optics)构造图像的一种方法就是从一个点光源出发，跟踪所有的光线，确定哪些光线进入照相机的镜头。然而，每条光线在被吸收或者进入无穷空间之前，有可能与物体发生多次接触。Fig 1.11 Ray interactions亮度图像与彩色图像亮度图像(luminance image)单色图像值为灰度等级类似于黑白电影和电视彩色图像(color image)可以显示出色调(hue), 饱和度(saturation)和亮度(lightness)必须匹配可见光谱中的所有波长吗？否!9成像物理系统 (Phys

4、ical system)Pinhole Camera针孔照相机Human visual system人类视觉系统10针孔照相机xp= -x/z/dyp= -y/z/d(x, y, z)点的投影位置These are equations of simple perspectivezp=- dFig 1.12 pinhole camera人类视觉系统12人类视觉系统(Three-Color Theory)两种类型的感光细胞Rods杆状细胞:仅能感知亮度，夜视不能感知颜色Cones锥状细胞感知亮度(较强光)和色彩三种类型的锥状细胞只有三种刺激值送到大脑Need only match these th

5、ree valuesNeed only three primary colors锥状细胞的感知曲线三种锥状细胞有重叠的频率响应曲线，但分别对红光、绿光和蓝光最敏感三色理论只需匹配这三种值，即所谓的三原色(three primary colors)在计算机图形学中所谓的三原色不一定与人眼所感知的三种值恰好完全匹配15彩色显示器的原理(Shadow Mask CRT)Fig 1.4 shadow-mask CRT16加色与减色(Additive and Subtractive Color)Additive color（加色系统）通过把三原色的值加在一起形成一种颜色CRTs, projection

6、systems, positive filmPrimaries are Red (R), Green (G), Blue (B)Subtractive color（减色系统）通过在白光中过滤掉青色(cyan), 品红色(magenta)和黄色(yellow)形成最终的颜色Light-material interactions光线与物体的作用Printing彩色打印Negative film照片底片17虚拟照相机模型181.5 Synthetic Camera Model (Advantages)把对象、观察者和光源独立开二维图形是三维图形的一个特殊情形可以得到简单的软件API指定对象、光源、照相机、材料属性由API的实现确定最终的图像可以得到快速的硬件实现19全局与局部光照(Global vs Local Lighting)不能对每个对象单独计算它的颜色与阴影有些对象被其它对象遮住了光源光可以在对象之间反射有些对象是透明的Fig 1.10 Scene with a single point light source20光线跟踪的不足(Why not ray tracing?)光线跟踪在很上大程度上是基于物理模型的，因此为何不应用它设计一个图形系统？对于由多边形和二次曲面构成的对象，