真实感光照效果免费

真实感光照效果免费第1页，共85页，2023年，2月20日，星期日2GlobalIlluminationExtendstheLocalIlluminationModeltoinclude:Reflection(oneobjectinanother)Refraction(Snell’sLaw)Transparency(bettermodel)Shadows(atpoint,checkeachlightsource)Antialiasing(usuallymeanssupersampling)第2页，共85页，2023年，2月20日，星期日3Wireframeviewofatestscene.Orthographicviewfromabove第3页，共85页，2023年，2月20日，星期日4Locallyilluminatedtestscene.Ambienttermonly第4页，共85页，2023年，2月20日，星期日5Locallyilluminatedtestscene.Phongshading.AmbientandDiffusetermsonly第5页，共85页，2023年，2月20日，星期日6Locallyilluminatedtestscene.Phongshading.Ambient,diffuseandSpecularterms.Notes:Highlightonwallfromlightisinthewrongplace第6页，共85页，2023年，2月20日，星期日7Comparison.FlatGouraudPhongCoarsermesh第7页，共85页，2023年，2月20日，星期日8UseLocalillumination.No.Inourtestscene,wecan’trepresent:MirrorChrometeapot.ShinyfloorShadowswithlocalillumination.第8页，共85页，2023年，2月20日，星期日9TestScene.Highqualityrenderingoftestscene.Note:Mirrorandchrometeapot.Shadowsonfloor.Shinyfloor.第9页，共85页，2023年，2月20日，星期日10Globalillumination.Twomethods:Viewdependentmethods.Calculatetheviewfromthecamerawithglobalillumination.Recursiveray-tracing.Viewindependentmethods.Solvelightingfortheentirescene.Radiositysolution.第10页，共85页，2023年，2月20日，星期日11Viewdependentmethods.Looproundthepixels…..Goodforlightingeffectswhichhaveastrongdependenceonviewlocation:Specularhighlights.Reflectionsfromcurvedsurfaces.Onlyasmallnumberofobjectsneedtobeconsideredatthesametime.PoorwhenmanyobjectsneedtobeconsideredE.gdiffuseinteractions(eg.colourbleeding).第11页，共85页，2023年，2月20日，星期日12Viewindependentmethods.Looproundthescene…Goodwhenmany(all)objectsneedtobeconsideredatsametime.Diffuseinter-reflections.Poorwhenshadinghasstrongdependenceonviewlocation.Specularreflection.第12页，共85页，2023年，2月20日，星期日真实感图形建模与绘制视相关绘制方法第13页，共85页，2023年，2月20日，星期日14Ray-Tracing:WhyUseIt?SimulateraysoflightProducesnaturallightingeffectsRay-tracingeasiertoimplement第14页，共85页，2023年，2月20日，星期日Fall201115Ray-Tracing:WhyUseIt?SimulateraysoflightProducesnaturallightingeffectsReflection第15页，共85页，2023年，2月20日，星期日Fall201116Ray-Tracing:WhyUseIt?Refraction,caustics第16页，共85页，2023年，2月20日，星期日Fall201117Ray-Tracing:WhyUseIt?SimulateraysoflightProducesnaturallightingeffectsSoftshadows第17页，共85页，2023年，2月20日，星期日Fall201118Ray-Tracing:WhyUseIt?SimulateraysoflightProducesnaturallightingeffectsdepthoffield,motionblur第18页，共85页，2023年，2月20日，星期日19Whitted模型特点：整体光照模型的典型代表；与光线跟踪技术密不可分；考虑了光源在物体表面的直接照射产生的光亮度，同时还考虑了环境光在镜面反射方向和规则透射方向对被照射点产生的光能贡献；其他方向的环境光对照射点的影响仍用一常数泛光项来模拟。第19页，共85页，2023年，2月20日，星期日20Whitted模型计算方法：Whitted模型采用递归跟踪的方法来求解Ir,ItIr：来自环境光的反射光亮度；kr：入射点的镜面反射系数It：来自环境光的透射光亮度；kt：入射点的透射系数第20页，共85页，2023年，2月20日，星期日21RayTracing标准RayTracing算法假设:光线是一根没有大小的直线，即数学意义上的直线；物体表面是完全光滑的，光在表面的反射遵循镜面反射和规则透射的规律。

这两个假设使得光线跟踪算法生成的图形中含有轮廓清楚的多重反射效果第21页，共85页，2023年，2月20日，星期日22RayTracing由于从光源发出的光线有无穷条，直接从光源出发对光线进行跟踪非常困难；第22页，共85页，2023年，2月20日，星期日23RayTracing实际上，从光源发出的光线只有少数经由场景中物体表面之间的反射和透射后到达观察者的眼中；

标准光线跟踪算法采用逆向跟踪技术来完成整个绘制过程第23页，共85页，2023年，2月20日，星期日24RayTracing算法思路：从视点出发，通过图像平面上每个像素中心向场景中发出一条光线；判断：若光线与场景中物体无相交，则光线将射出画面，跟踪结束；否则，光线与物体相交；光线在离视点最近的景物表面交点出的走向有三种可能：

当前交点所在的景物表面为理想漫反射面，跟踪结束； 当前所在的景物表面为理想镜面，光线沿其镜面反射方向继续跟踪； 当前交点所在的景物表面为规则透面，光线沿其规则透射方向继续跟踪。上述步骤是一个递归过程。第24页，共85页，2023年，2月20日，星期日25RayTracing继续跟踪以下三条光线：TowardsLightSource(s):shadowrays.L(shadowfeelers)

Inthereflectiondirection:reflectionrays,RInadirectiondictatedbySnell’sLaw:transmittedrays,T第25页，共85页，2023年，2月20日，星期日Fall201126TheRayTreeR2R1R3L2L1L3N1N2N3T1T3NisurfacenormalRireflectedrayLishadowrayTitransmitted(refracted)rayEyeL1T3R3L3L2T1R1R2EyeComplexity?第26页，共85页，2023年，2月20日，星期日27Recursiveraytree.ReflectionandTransmissionRaysspawnotherrays.ThecompletesetofraysiscalledaRayTree.ViewpointLightSourceraydeterminescolourofcurrentobject.第27页，共85页，2023年，2月20日，星期日28TestScene.Raytreedepth1.Noteonlyambientshadeonmirrorandteapot第28页，共85页，2023年，2月20日，星期日29TestScene.Raytreedepth2.Noteonlyambientshadeonreflectionofmirrorandteapot.第29页，共85页，2023年，2月20日，星期日30TestScene.Raytreedepth3.Noteonlyambientshadeonreflectionofmirrorinteapot.第30页，共85页，2023年，2月20日，星期日31TestScene.Raytreedepth4.Noteambientshadeonreflectionofteapotinreflectionofmirrorinteapot.第31页，共85页，2023年，2月20日，星期日32TestScene.Raytreedepth5.

第32页，共85页，2023年，2月20日，星期日33TestScene.Raytreedepth6.第33页，共85页，2023年，2月20日，星期日34TestScene.Raytreedepth7.第34页，共85页，2023年，2月20日，星期日35Whentostop?Needtoknowwhentostoptherecursion.Candefineafixeddepth.Hallintroducedadaptivetreedepthcontrol.Calculatemaximumcontributionofaraytoapixelsfinalvalue.Multiplycontributionofray’sancestorsdownthetree.Stopwhenbelowsomethreshold,perhapsstackoverflow.第35页，共85页，2023年，2月20日，星期日36Adaptivetreedepthcontrol.Viewpoint0.30.2第36页，共85页，2023年，2月20日，星期日37Adaptivetreedepthcontrol.Viewpoint0.3*0.20.2*0.20.30.2第37页，共85页，2023年，2月20日，星期日38标准光线跟踪算法TraceRay(VECTORStart,VECTORDirection,intDepth,COLORColor){VECTORIntersectionPoint,ReflectedDirection,TransmittedDirection;COLORLocalColor,ReflectedColor,TransmittedColor;If(Depth>MAXDEPTH)Color=black;Else{

取Start为起点，方向为Direction的光线S为跟踪光线，用它与场景中的 景物进行求交测试；

if(无交)Color=BackgroundColor;

else {

计算离起始点Start最近的交点IntersectionPoint; Shade(IntersectionObject,IntersectionPoint,LocalColor); 确定IntersectionPoint所在表面镜面反射系数ks,透射系数kt； if(IntersectionPoint所在的表面为镜面){

计算跟踪光线S在IntersectionPoint处的反射光线方向 ReflectedDirection;

TraceRay(ntersectionPoint,ReflectedDirection, Depth+1,ReflectedColor); }第38页，共85页，2023年，2月20日，星期日39标准光线跟踪算法

if(IntersectionPoint所在的表面为透明面){

计算跟踪光线S在IntersectionPoint处的规则透射光线 方向TransmittedDirection;

TraceRay(IntersectionPoint,TransmittedDirection, Depth+1,TransmittedColor); } Color=LoaclColor+ks*ReflectedColor+kt*TransmittedColor; } }}第39页，共85页，2023年，2月20日，星期日40标准光线跟踪算法用局部光照模型计算交点IntersectionPoint处的局部光亮度LocalColorShade(OBJECTIntersectionObject,VECTORIntersecctionPoint,COLORLocalColor){确定IntersectionObject在IntersectionPoint处的单位法向量N，漫反射系数kd,镜面反射系数ks，环境反射系数ka;LocalColor=ka*Ia;For(每一个点光源PointLight){

计算入射光线单位向量L和虚拟镜面单位法向量H;

由Phong模型计算光源PointLight在IntersectionPoint处的漫反射和镜面 反射光亮度；

LocalColor+=(Ipointlight*(kd*(N.L)+ks*(N.H)n)); }}第40页，共85页，2023年，2月20日，星期日41光线跟踪几何1.反射光线方向与折射光线方向的确定2.光线与景物表面的求交方法 光线与球面的交 光线与多边形的交 光线与长方体的交 光线与三角形的交 光线与二次曲面的交 光线与一般柱面的交 光线与旋转面的交 光线与代数曲面的交 光线与metaball曲面的交 光线与参数曲面的交第41页，共85页，2023年，2月20日，星期日42Localilluminationvs.GlobalInbothanobjecthitbyaray,iflitbyalightsource,isilluminatedbyalocalilluminationmodel,i.ewithspecular,diffuse&ambientterms.Global:areflectedray,

andatransmissionray(ifappropriate)arealsocastintothescene.第42页，共85页，2023年，2月20日，星期日43光线跟踪算法的几种演化1.光束跟踪算法 针对标准光线跟踪算法的计算开销大的问题而提 出的。2.Monte-carloraytracing&圆锥跟踪算法

针对标准光线跟踪算法的边界、阴影尖锐的问题而提 出的。3.分布式光线跟踪算法 针对圆锥跟踪算法求交计算复杂的问题而出的。第43页，共85页，2023年，2月20日，星期日44光束跟踪算法性质： 在光线跟踪过程中，相邻光线在光能传播过程中往往具有大致相同的路径。这一性质启示我们，相邻光线之间具有空间连贯性（Coherence）。Heckbert和hanrahan通过光束跟踪利用光线之间的连贯性，有效提高光线跟踪算法的效率。

假设： 考虑到经曲面反射或折射后，相邻光线会向四周散射或聚结，从而改变相邻光线在空间传播的连贯性，Heckbert等将场景限制为多边形场景。关键点： 如何定义光束（包括确定反射光束和折射光束），使得计算光束和景物的交简单方便。第44页，共85页，2023年，2月20日，星期日45光束跟踪算法光束的定义：从视点出发的初始光束投向整个屏幕，形成一个视域四棱锥；采用棱锥不易计算光束和物体的交；对场景中物体进行变换，投影后，把棱锥已经变成一个柱体，视点V被变换到Z轴的无穷远处；VxyzV第45页，共85页，2023年，2月20日，星期日46光束跟踪算法光束的定义（续）：初始情况：初始光束的光束坐标为屏幕坐标，初始光束节点包含了屏幕上可见的所有多边形。通常情况下，光束定义：在光束坐标系xy平面上的多边形（光束多边形）沿z轴平扫形成的柱体。注意： 光束坐标系为每一光束的局部坐标系。zXy平面第46页，共85页，2023年，2月20日，星期日47光束跟踪算法与光线跟踪算法相比较：树状结构 光线跟踪—光线树 光束跟踪—光束树树状结构中的边 光线跟踪—光线 光束跟踪—光束树状结构中的节点 光线跟踪—光线与物体表面相交的一点 光束跟踪—光束与物体表面相交的多边形集合第47页，共85页，2023年，2月20日，星期日48光束跟踪算法流程：Step1:

为了跟踪初始光束入射到镜面多边形上所产生的反射光束，将景物变换到反射光束的局部坐标系中，反射光局部坐标系z轴与反射光束前进方向一致；Step2:

所有景物按新的z值排序；Step3:

取镜面多边形在反射光束局部坐标系xy坐标平面上的投影为反射光束多边形，并将它与z值排序表上第一个景物多边形在该xy平面内作二维布尔运算；第48页，共85页，2023年，2月20日，星期日49光束跟踪算法流程(续)：Step4:

如果存在交集，则求得的交映射到该多边形上，作为反射光束将照射到的一个多边形区域记入反射光束的数据结构中，并在反射光束中减去交区域，然后与景物多边形表中的第二个多边形在xy平面上投影求交；Step5:

重复上述过程，直到反射光束多边形被完全覆盖，或所有景物多边形处理完毕；

在上述步骤进行的同时，还要跟踪折射光束，需要将景物变换到折射光束所定义的局部坐标系中，就可以执行上述类似的操作。第49页，共85页，2023年，2月20日，星期日50光束跟踪算法数据结构多边形信息左光束树（多边形表指针）右光束树（多边形表指针）初始入射光束光束多边形光束相交多边形表反射光束折射光束第50页，共85页，2023年，2月20日，星期日51

Monte-CarloRayTracing&圆锥跟踪算法传统光线跟踪的问题和原因由于假设是一根理想直线，景物表面为理想镜面，因此所产生的图形具有尖锐的反射边界和阴影边界，对景物表面的点采样导致图像走样。在现实中，景物表面并不总是完全光滑的，其镜面反射通常是模糊的。过采样Oversamplingisaprocesswhereinsteadofsamplingasinglevalue,multiplesamplesaretakenandaveragedtogether.Thelocationofwherethesampleistakenisvariedslightlysothattheresultingaverageisanapproximationofafiniteareacoveredbythesamples.Thisiscalledananti-aliasingmethod.usesoversamplingtoreducealiasingartifacts.第51页，共85页，2023年，2月20日，星期日52

Monte-CarloRayTracing&圆锥跟踪算法改善方法1在传统光线跟踪算法中，在每一交点处，根据表面的光滑性，产生一系列扰动反射光线，然后跟踪每一个光线，综合其所得的光亮度，最后得到前面所述交点的亮度。Monte-CarloRayTracing。改善方法2采用圆锥光束取代每一条像素光线，来模拟表面模糊反射和半影效果，有效克服了图形走样现象。第52页，共85页，2023年，2月20日，星期日53

Monte-CarloRayTracingRayTracingCastarayfromtheeyethrougheachpixelTracesecondaryrays(light,reflection,refraction)第53页，共85页，2023年，2月20日，星期日54

Monte-CarloRayTracingCastarayfromtheeyethrougheachpixelCastrandomraysfromthevisiblepoint –Accumulateradiancecontribution第54页，共85页，2023年，2月20日，星期日55CastarayfromtheeyethrougheachpixelCastrandomraysfromthevisiblepointRecurse

Monte-CarloRayTracing第55页，共85页，2023年，2月20日，星期日56Systematicallysampleprimarylight

Monte-CarloRayTracing第56页，共85页，2023年，2月20日，星期日57Takereflectanceintoaccount–MultiplyincomingradiancebyBRDFvalue

Monte-CarloRayTracing第57页，共85页，2023年，2月20日，星期日58

Monte-CarloRayTracing

BRDF：Bidirectionalreflectancedistributionfunction

第58页，共85页，2023年，2月20日，星期日59

Monte-CarloRayTracing

特点：准确合理缺点：积分计算，计算量大第59页，共85页，2023年，2月20日，星期日60圆锥跟踪算法算法思路：采用正圆锥来表示一束光线，替代标准光线跟踪算法中的理想光线，每个圆锥光束均由三个参数确定：锥顶，中心轴线，锥角。BAV第60页，共85页，2023年，2月20日，星期日61圆锥跟踪算法流程：Step1：对于每个像素，以视点为锥顶，以一个像素宽度为半径构造初始圆锥光束，并跟踪进入场景；Step2：计算圆锥光束中心轴线的镜面反射方向和折射方向，以产生反射圆锥光束和折射圆锥光束。第61页，共85页，2023年，2月20日，星期日62圆锥跟踪算法BAV一光线遇到表面A,A不完全光滑，产生镜面反射和规则透射的圆锥光束；镜面反射圆锥光束交于景物B，形成交区域，区域内所有点聚集起来，对A上的交点亮度产生贡献；A表面反射出B的模糊镜像。模糊程度取决于交区域的大小，即锥角反映了景物表面的粗糙程度。若锥角不变，A与B距离越大，光束与B的交区域越大。第62页，共85页，2023年，2月20日，星期日63圆锥跟踪算法半影的形成 对具有一定空间尺寸的光源来说，若它被场景中的景物部分遮挡，就会在位于其后的景物表面上形成半影。模拟半影

在光源和被照射点之间建立一圆锥，该被照射点的光亮度根据圆锥与遮挡物相交部分在整个圆锥中所占的比例来计算：

0—照射点位于照明区内

1—照射点位于本影区内 （0，1）--照射点位于半影区内第63页，共85页，2023年，2月20日，星期日64圆锥跟踪算法计算内容：除了计算圆锥轴线与景物表面的交外，还须计算圆锥与所有景物表面相交的区域，即该区域对于锥顶处的光亮度贡献算法难点：计算圆锥与所有景物表面相交的区域简化方法：Amantides将场景表面限定为球面和平面多边形。该算法计算复杂，只适用于简单的几何场景，使应用受限制。第64页，共85页，2023年，2月20日，星期日65分布式光线跟踪算法

Distributedraytracingisnotraytracingonadistributedsystem.

Distributedraytracingisaraytracingmethodbasedonrandomlydistributedoversamplingtoreducealiasingartifactsinrenderedimages.aliasingartifactsmeanalmostanythingunwantedintherenderedimage.Typicallyaliasingisusedtodescribejaggededges.

第65页，共85页，2023年，2月20日，星期日66分布式光线跟踪算法与圆锥光束跟踪的区别 使用一立体角内分布式的随机跟踪一定数量的光线表示一束光线，不是采用几何形状来表示一束光线，克服求交困难的缺点，能生成模糊镜面反射、模糊镜面折射、半影、景深、运动模糊灯光照效果。算法思路 在处理每一条被跟踪光线时，在光线与景物表面的交点处不仅朝其镜面反射方向和规则透射方向发射光线，而且依据景物表面的光照性质朝其镜面反射方向和规则透射方向附近立体角内也发射采样光线，即“分布地”进行光线跟踪。第66页，共85页，2023年，2月20日，星期日67分布式光线跟踪算法BAV第67页，共85页，2023年，2月20日，星期日68分布式光线跟踪算法模糊镜面反射Gloss(fuzzyreflections)

问题：传统的光线跟踪的缺点：只有当场景中的具有反射特性的物体是理想镜面时，所绘制的结果和现实情况一样。但是更多的情况下，物体表面是不光滑的，反射出来的图像是模模糊糊的，这是因为物体表面的不光滑会将接收的光散射开来。在传统的光线跟踪算法中，反射是锐利的，尖锐的，没有过渡。

第68页，共85页，2023年，2月20日，星期日69分布式光线跟踪算法模糊镜面反射Gloss(fuzzyreflections)

解决方法：分布式光线跟踪算法：借助在物体表面上产生随机分布的光线反射来模拟不平滑的物体表面。.在标准光线跟踪中，在反射方向只投出一根光线，而在分布式光线跟踪中，我们沿着反射方向的周围，投射出多条光线，反射强度的计算是统计所有这些投射光线的均值。第69页，共85页，2023年，2月20日，星期日70分布式光线跟踪算法模糊镜面反射Gloss(fuzzyreflections)

传统光线跟踪算法与分布式光线跟踪算法的效果的比较。光线数量在增加，条数10-〉20-〉50第70页，共85页，2023年，2月20日，星期日71分布式光线跟踪算法模糊镜面折射Fuzzytranslucency问题传统的光线跟踪方法比较善于表示全透明物体，不能很好的表示半透明的对象.而在一些场景中，往往存在一些半透明的物体，能够透出在他后面的其他物体模模糊糊的影像。解决方法分布式光线跟踪算法能够在传统光线跟踪算法产生的规则透射光线的周围产生一些随机分布的光线，来模拟半透明物体的透射效果。透射的强度取这一束光线透射强度的均值。第71页，共85页，2023年，2月20日，星期日72分布式光线跟踪算法模糊镜面折射Fuzzytranslucency第72页，共85页，2023年，2月20日，星期日73分布式光线跟踪算法半影SoftShadows问题传统的光线跟踪算法形成的阴影是离散的；.当绘制一个点时，会计算每个光源是否对于该点可见，也就是有没有其他物体在这两点之间进行遮挡，如果可见，则计算该光源对于这个点亮度的贡献，否则不计算；.用一个点表示光源，一般比较适合表示光源离物体较远的情况，不适合表示光源较大，或者光源离物体较近的情况；使用传统光线跟踪，离散的计算光的传播，使得产生的阴影的边缘非常尖锐，在阴影区域边界有着明显的突变；但是现实中的阴影通常比较柔和。从完全的阴影区域到部分阴影区域的过渡是连续的，渐进的。这是因为现实中的光源都是具有一定面积的，并且还有一些从场景中其他表面散射出来的光线的存在。第73页，共85页，2023年，2月20日，星期日74分布式光线跟踪算法半影SoftShadows解决方法：为了模拟现实中的软影，在分布式光线跟踪中，我们将光源建模成一个球体；当测试一个点是否在阴影内的时候，在光源的投影面积上，投射一系列的光线；光源对该点的亮度的贡献可使用从点到达光源的光线数量在所有投射光线数量中比率来近似估计；光源对该点的亮度的贡献等于比率和标准Phonglighting模型计算得到亮度的乘积。第74页，共85页，2023年，2月20日，星期日75分布式光线跟踪算法半影SoftShadows稍微移动光源的位置第75页，共85页，2023年，2月20日，星期日76分布式光线跟踪算法半影SoftShadows第76页，共85页，2023年，2月20日，星期日77分布式光线跟踪算法景深DepthofField问题无论是人眼还是照相机，都存在凸透镜，因此存在一个有限的焦距，景深。太远或太近的物体不能聚焦，看起来非常模糊；.几乎所有的计算机图形绘制过程中都是使用针孔照相机模型，在这个模型下，所有的物体都忽略了距离的影响，都处于一个合适的焦距下；在很多情况中，这样做是有优点的，人们通常都不希望图像中由于焦距不对，存在模糊的现象。但是，在另外一些情况下，尤其是真实感绘制中，模拟景深的效果可以使得结果图像更加真实，因为它更加接近真实的视觉系统。第77页，共85页，2023年，2月20日，星期日78分布式光线跟踪算法景深DepthofField解决方法：分布式光线跟踪在视平面的前面放置一个人工的透镜来模拟景深的影响；随机分布的光线又一次模拟由于景深带来的模糊现象。步骤是这样的.：第一根投射的光线通过透镜的中心，不改变方向，焦点在该光线上；其它从这个像素发出的光线可能与透镜的任何点相遇，但是经过透镜后，都通过焦点。这样，与焦点距离较近的物体的边缘都比较清楚，而与焦点距离较远的物体的边缘都会变得