CG-6 真实感图形设计

主要内容6.1概述6.2颜色的基本知识6.3光的基本知识6.4明暗处理第6章真实感图形设计1决定物体外观的因素物体的几何形状物体表面特性材料的粗糙度、表面颜色等；外部光源亮度、颜色、类型；观察者的视点物体周围环境6.1概述2一、颜色颜色是外来光作用于人的视觉器官而产生的主观感觉光是人的视觉系统能够感知到的电磁波；波长在400nm到700nm之间；6.2颜色的基本知识3光是人的视觉系统能够感知到的电磁波；波长在400nm到700nm之间；6.2颜色的基本知识4单色光：一束光只包含一种波长的能量，而其它波长都为零彩色光：其中各波长的能量分布不均匀6.2颜色的基本知识5白光：一束光的各种波长的能量大致相等6.2颜色的基本知识6二、三色学说任何一种颜色可以用红、绿、蓝三原色按照不同比例混合来得到根据这个学说，提出RGB颜色模型以及其他的CG颜色模型用这种原色的混合匹配能产生光谱中的每一种颜色，其匹配过程可表示为：C=rR+gG+Bb6.2颜色的基本知识7三、颜色模型是指某个三维颜色空间中的一个可见光子集，它包含某个颜色域的所有颜色面向硬件的颜色模型RGB模型、CMY模型面向用户的颜色模型HSV模型颜色模型的用途是在某个颜色域内方便的指定颜色6.2颜色的基本知识8(1)RGB模型Red（红）、Green（绿）、Blue(篮)应用：彩色CRT加色模型6.2颜色的基本知识9RGB色彩模式

该模式按加法原理，用红(Red)、蓝(Blue)、绿(Green)三种基本色配制其它色彩。R、G、B可分别在0～255之间取值。R=255R=0R=0R=255R=255R=0R=0R=255G=0G=255G=0G=255G=0G=255G=0G=255B=0B=0B=255B=0B=255B=255B=0G=2556.2颜色的基本知识10(2)CMY模型Cyan（青）、Magenta（品红）、Yellow（黄）应用：绘图仪、印刷机、打印机等硬拷贝设备减色模型6.2颜色的基本知识11CMYK色彩模式青(Cyan)品红(Magenta)黄(Yellow)黑(black)采用四种基本色配制其它色彩C、Y、M、K的取值可从0％～100％6.2颜色的基本知识126.3光的基本知识光的基本知识光源特性光源分类光的反射和传播简单光照模型13一、光源特性光的色彩光的色彩一般用红、绿、蓝三种色光的组合成分来描述光的强度光的强弱由R、G、B三色光的强弱而决定3D空间中一点的总光强I为：I=0.30Ir+0.59Ig+0.11Ib6.3光的基本知识14二、光源分类点光源（PointLightSource）点光源所发射的光线，是从一点向各方向发射的6.3光的基本知识15分布式光源（DistributedLightSource）分布式光源所发射的光线，是从一个面向一个方向发射的平行光线6.3光的基本知识16漫射光源（AmbientLightSource）漫射光源所发射的光线，是从一个面上的每一点向各个方向发射的光线6.3光的基本知识17三、光的反射和传播漫反射漫反射光均匀向各方向传播，空间分布均匀，与视点无关

光照模型：入射光强度物体表面漫反射系数入射角6.3光的基本知识18镜面反射对于理想镜面镜面反射光集中在一个方向，并遵守反射定律对一般的光滑表面反射光集中在一个范围内，且由反射定律决定的反射方向光强最大；对于同一点来说，从不同位置所观察到的镜面反射光强是不同的6.3光的基本知识19镜面反射光照模型：

其中：Ip为入射光强度；

Ks为反射率系数，是入射角θ和光波长λ的函数；

α为观察角；6.3光的基本知识206.3光的基本知识n为镜面反射指数，n的取值与表面粗糙程度有关n越大，表面越平滑（散射现象少，稍一偏离，明暗亮度急剧下降）n越小，表面越毛糙（散射现象严重）216.3光的基本知识高光现象入射光在光滑物体（如金属或塑料）表面形成的特别亮的区域22环境光环境光是指光源间接对物体的影响，是在物体和环境之间多次反射，最终达到平衡时的一种光光照模型：

Ia为环境光在整个场景中的入射强度

Ka为环境光对该物体表面的反射系数（0≤ka≤1）6.3光的基本知识23四、简单光照模型光照射到物体表面，主要发生：反射、透射（对透明物体）、吸收（转变为热能）反射光、透射光决定了物体所呈现的颜色物体表面上一点P反射到视点的光强I包括：环境光的反射光强Ie漫反射光强Id镜面反射光强Is

6.3光的基本知识24简单光照模型的特点显示出的物体象塑料，没有质感；环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光；镜面反射的颜色是光源的颜色，与物体的材料无关；镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真。6.3光的基本知识256.4明暗处理明暗处理均匀着色光滑着色哥罗德（Gouraud）光强度插值法冯（Phong）法向插值法266.4明暗处理一、均匀着色法向量的计算计算物体表面上各点处的光强关键是求出该点处的法向量均匀着色原理假设物体由平面多边形围成，每个平面多边形上的点共有一个法向量如果光源到达物体的距离远远大于物体的尺寸，则可认为光源到达物体表面的距离为定值物体表面每一个平面的光强为一常数27均匀着色方法1、任取多边形上一点，利用光照模型计算出它的颜色2、用这个颜色填充整个多边形6.4明暗处理28均匀着色适用场景：1）光源在无穷远处；2）视点在无穷远处；3）物体由平面多边形围成。6.4明暗处理29均匀着色的优点每个多边形只需计算一次光照明方程，速度快均匀着色的缺点相邻多边形颜色过渡不光滑6.4明暗处理306.4明暗处理二、光滑着色对于表面包含曲面的物体，需要求曲面上每一点的法向量，计算量很大可采用平面多边形来逼近曲面如果用来逼近曲面的平面被划分的很细，可以得到比较理想到真实感图形。否则，容易出现马赫带效应，图形的真实感降低为避免上述问题，通常采用Gouraud的光强度插值法和Phong的法向插值法311、Gouraud光强度插值着色方法通过对多边形顶点光强度进行线性插值来获得其内部各点颜色6.4明暗处理326.4明暗处理Gouraud算法过程将曲面近似分割成若干个小平面；计算小平面相交顶点上的平均单位法向量；根据光照模型计算各个顶点的光强度；插值计算相交边上各点的光强度；插值计算小平面中各点的光强度。33Gouraud明暗处理用于完全漫反射表面时效果较理想，消除马赫带效应也较好；在明暗处理时，物体表面上出现过亮或过暗的条纹，称为马赫带（Mach_band）效应在处理镜面反射时，会使镜面上的高光亮区域的形状和位置发生变化，甚至模糊不清；同时，也不能有效消除马赫带效应6.4明暗处理342、Phong法向插值着色方法6.4明暗处理35P处法矢量的计算可分为两步：根据A,B处的法矢量作线性插值求处Q处法矢量；根据B,C处的法矢量作线性插值求出R处法矢量；对Q,R处法矢量作线性插值，求出P处的表面法矢量36Phong算法过程把曲面近似的分成若干个小平面；计算各个小平面相交顶点上的平均法矢量；计算两平面相邻边上各点法矢量；计算各小平面中各点法矢量；根据光照模型，计算所有点的光强度；6.4明暗处理37

SIGGRAPH协会介绍SIGGRAPH协会

SIGGRAPH是计算机图形图像专业组织，成立于1967年，它是ACM的37个SIGs专业组织之一以推广和发展电脑绘画及动画制作软硬为宗旨，并大力提倡科技与艺术的结合，强调计算机的媒体特性自1974年以来，SIGGRAPH定期举办每年一次的年会。1