计算机图形学光照与纹理

计算机图形学光照与纹理颜色心理-物理色调(Hue)-主波长(DominantWavelength)就是一种颜色区别于其她颜色得因素,也就就是我们平常所说得红、绿、蓝、紫等饱和度(Saturation)-纯度(Purity)颜色纯度纯度越高:单一波长且更亮(激光)亮度(Lightness)-明度(Luminance)光得亮度光在单位时间内从单位面积向单位立体角所发射得能量23颜色红、绿、蓝三原色(RGB)1862年Helmhotz提出视锥网膜存在三种细胞,分别感应红绿蓝三种颜色青(Cyan)、品红(magenta)、黄三原色(CMY)印刷4颜色颜色空间C=rR+gG+bB(r,g,b)值可能会存在负数5颜色空间CIEXYZ颜色空间三种假想标准原色X、Y、Z保证 C=(R)X+(G)Y+(B)Z中 (R)、(G)、(B)为正值(R)、(G)、(B)为方向,代表颜色降维到色度平面(R)+(G)+(B)6基础概念球面坐标系7立体角(SolidAngle)投影面积8大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点光通量单位时间内通过面元得光能量(单位W)辉度(Irradiance)通过单位面积得光通量(单位W/m2)发光强度(Intensity)点光源在某个方向上得发光强度10光亮度(Radiance,又名辐射率)通过单位面积在单位立体角方向上得光通量(单位:W/(sr*m2))与辉度关系

Ω为覆盖发光方向得半球11反射:漫反射镜面发射真实得反射12真实得反射——BRDFBRDF(bidirectionalreflectancedistributionfunction,二向反射分布函数)四维函数:描述面元从方向接收光得辐射度,经反射后,反射光在方向得辐射率

13绘制方程(反射项)视点所见得光亮度

视点方向光照明:难以模拟真实得BRDF反射经验模型物理模型(近似)1415光照明光作用反射透射(透明物体)包括折射被物体吸收转化为热能只有反射光和透射光决定物体得颜色局部光照明只考虑光线直接照射物体表面得情况整体光照明考虑光物体之间传播情况16简单得光照明近似假设物体不透明,即没有透射光光种类环境光、漫反射光和镜面反射光光源点光源Phong模型17BùiTườngPhong(裴祥风,1942-1975)生于越南河内犹她大学博士学位提出Phong反射与着色模型1819简单光照模型环境光(Ambientlight)在物体和周围环境之间多次反射后,最终达到平衡时得一种光,又称为背景光光强(度):空间上分布均匀,即任何位置和方向光强度一样,亮度值记为Ia反射系数:与物体表面性质有关,决定物体表面呈现得亮度,记为Ka光照模型方程

Ie=

KaIa

Ie为物体表面呈现得亮度

Ka

=0、4Ka

=0、820简单光照模型漫反射(DiffuseReflection)点光源:向周围所有方向发射等强度得光漫反射光就是由物体表面得粗糙不平引起得,她均匀地向各个方向传播,与视点无关LN

21简单光照模型漫反射光在空间均匀分布,反射光强I与入射光得入射角θ得余弦成正比,即:

Kd就是漫反射系数(0～1之间得常数),与物体表面性质有关Ip就是入射光(光源)得光强; θ就是入射光得入射角,即入射光与物体表面法向间得夹角漫反射可由向量表示为

注意若,漫反射

当存在多个光源时LN

cos

22简单光照模型环境光与漫反射光结合方程:例子:高光(Specular):光滑物体表面在点光源得照射下形成一块特别亮得区域镜面反射(SpecularReflection)物体表面对入射光得反射遵循反射定律(1)反射光与入射光位于表面法向两侧(2)理想反射面而言:入射角＝反射角观察者在反射方向上看到反射光最强23简单光照模型2411、1简单光照模型非理想反射面计算公式:Ks就是物体表面镜面反射系数,她与入射角和波长有关;α就是视线与反射方向得夹角;

n为镜面高光系数,用来模拟镜面反射光在空间中得汇聚程度,她就是一个反映物体表面光泽度得常数;近似地描述了镜面反射光得空间分布。25简单光照模型简化Phong模型SSHβL,N,R都就是单位向量2611、1简单光照模型镜面参数n得影响效果n=15 n=5 n=1n

常规取值5-2027简单光照模型改进后得Phong模型结合环境光、漫反射光及镜面反射光当光源与视点无穷远时,对表面上任意一点而言,L和V固定不变,H只需计算一次Hβ28简单光照模型光得衰减光在传播过程中,能量会衰减传播过程光源到物体表面得传播,使入射光强度变弱物体表面到人眼得传播,使人接受到物体表面得反射光强度减弱光到物体表面得衰减考虑衰减得方程2911、1简单光照模型物体表面到人眼过程中得衰减深度暗示技术(DepthCueing)使据视点远得点比近得点暗一些亮度计算前参考面n=Nf;后参考面n=Nb(规范化视见体内)分别赋比例因子Sf和Sb(Sf>Sb)给点物体上得一点得深度N0,比例因子S03011、1简单光照模型亮度计算光照方程计算出得I按比例S0与熔合亮度Idc混合若Sf=1,Sb=0,Idc=0时(1)当物体位于前参考面前,I’=I(2)当物体位于后参考面后,I’=0(3)N0在Nb和Nf间时,

I’=S0I,亮度部分衰减31简单光照模型产生颜色前面得光照模型仅用于白光,只能产生灰度彩色模型计算选择合适模型(如RGB、HSV等)为颜色得三个分量分别建立光照方程RGB模型光源得颜色[IpR,IpG,IpB],环境光得颜色[IaR,IaG,IaB]表面反射系数(1)环境反射:[KaR,KaG,KaB](2)漫反射:[KdR,KdG,KdB](3)镜面反射:[KsR,KsG,KsB]3211、1简单光照模型彩色光照方程(模型)33简单光照模型多个光源如果场景中有m个光源,那么物体上任一点得亮度应该为m个光源得贡献之和在RGB彩色模型中,λ分别为R、G和B。

注意:Iλ可能会超出系统允许得最大亮度值,处理方法(1)截去超出部分,设置为最大值(2)首先计算出所有亮度值,再进行变换(如缩放变换)使其落在系统规定范围之内Phong模型中光源方向与视点方向为常量物体平面法向方向为变量每一个多边形由于法向一致,因而多边形内部得象素得颜色都就是相同得这种方法虽然简单,但就是绘制结果粗糙,多边形颜色变化过为剧烈,从而产生马赫带效应3435简单光照明模型增量式光照明模型使多边形形成匀称得光强分布基本思想:插值平滑在每一个多边形得顶点处计算合适得光照明强度或参数然后在各个多边形内部进行均匀插值,得到多边形得光滑颜色分布双线性光强插值(Gouraud明暗处理)双线性法向插值(Phong明暗处理)36Gouraud明暗处理算法计算多边形顶点得平均法向用与顶点相邻得所有多边形得法向得平均值近似作为该顶点得近似法向量用Phong光照明模型计算顶点得平均光强以平均光强为输入37nbncnandnn4n3n2n1n0光强插值双线性插值:先插值计算边上得光强,再计算多边形内部光强38BACDEF一条扫描线双线性插值增量算法实现:边界上多边形内部39404142Phong明暗处理算法Gouraud明暗处理只就是对颜色插值,不能很好地处理高光Phong明暗处理对法向量进行插值,更好地逼近像素对应曲面上得法向量43BACDEFPhong明暗处理:双线性法线插值通过更加平滑得法向量变化,以产生高光效果44对比45Phong模型经验模型假设:表面光滑实际表面:Cook–Torrance光照明模型模拟:多个法向随机分布得微平面组成46Cook–Torrance光照明模型物理模型模拟镜面高光,镜面高光反射率(取代Phone模型中得)F:入射光得反射率系数D:微平面法向得分布函数G:衰减因子Rs:BRDF

47基于光得电磁理论反射率系数与入射角θi和波长λ相关θt为折射角,与波长λ相关基于微平面理论微平面法向分布函数,表示微平面法向与平均法向间得夹角为α得微平面所占比例48m=0、2m=0、6几何衰减因子49入射与反射光均无遮挡反射光被遮挡入射光被遮挡Cook–Torrance光照明模型基于入射光能量导出得光辐射模型,而简单光反射模型基于经验以微平面理论为基础,反映表面得粗糙度对反射光强得影响,更为精确根据Fresnel定律,根据材料得物理性质决定颜色,而简单光照模型只以高光颜色与材料无关5051整体光照明简单光照明/局部光照明只就是处理光源直接照射物体表面得光强计算

不能很好得模拟光得折射、反射和阴影

不能用来表示物体间得相互光照明影响

整体光照明52整体光照明简单/局部光照明53整体光照明简单/局部光照明(增加环境光强)54整体光照明希望得光照明(拒绝阴暗)55整体光照明整体光照明

56整体光照明57光从哪儿来整体光照明58整体光照明生成更为真实得视觉效果模拟建筑内照明效果59整体光照明模拟建筑内照明效果60整体光照明光线跟踪方法(Raytracing)辐射度方法(Radiosity)61光线跟踪方法1980年,Whitted提出了光线跟踪模型,模型中包括了反射和折射效果该模型在图形学历史上具有里程碑意义62光线跟踪方法J、TurnerWhitted美国计算机科学家北卡罗来纳大学博士学位(1978)微软高级研究员美国工程院院士"forcontributionstoputergraphics,notablyrecursiveray-tracing、"曾任北卡罗来纳大学教授贝尔国家实验室技术员飞行员/水手TurnerWhitted,Animprovedilluminationmodelforshadeddisplay,municationsoftheACM,v、23n、6,p、343-349,June1980、63光线跟踪方法思想光线可由一组射线表达我们看到物体,因为投射在物体(物体发出得光线)经反射/折射到达我们得眼睛(但就是只有少量光线！)光线跟踪算法:跟踪方向与光传播得方向就是相反得,而就是视线跟踪。由视点与象素(x,y)发出一根射线,与第一个物体相交后,在其反射与折射方向上进行跟踪,64光线跟踪方法I=I光源+I反射+I折射65光源直接照射反射方向折射方向I=I光源+I反射+I折射！光线跟踪方法66自然界光照明得拟过程！67光线跟踪方法结果？68死循环

需要终止条件！光线跟踪方法终止条件:该光线未碰到任何物体该光线碰到了背景光线在经过许多次反射和折射以后,就会产生衰减,光线对于视点得光强贡献很小(小于某个设定值)光线反射或折射次数即跟踪深度大于一定值69光线跟踪方法RayTracing(start,direction,weight,color){if(weight<MinWeight)color=black;else{

计算光线与所有物体得交点中离start最近得点;

if(没有交点)color=black;else{ Ilocal=在交点处用局部光照模型计算出得光强;计算反射方向R;

RayTracing(最近得交点,R,weight*Wr,Ir);

计算折射方向T;

RayTracing(最近得交点,T,weight*Wt,It);color=Ilocal+Ks*Ir+Kt*It;}}}70多次反射效果(0次)71多次反射效果(1次)72多次反射效果(2次)7374如何求光线(射线)与物体得交点光线跟踪方法75？如何求光线(射线)与物体得交点射线

就是射线得起始点就是射线得方向,一般归一化76光线跟踪方法求光线(射线)与平面得交点射线平面方程交点存在多个交点时,min{ti},ti>0为射线从起始点出发遇到得第一个交点77光线跟踪方法射线与三角形求交判断点在三角形内重心坐标(α,β,γ),

点在三角形内时

,求重心坐标(α,β,γ)代入得矩阵形式,在三角形内:

78光线跟踪方法射线与多边形求交先求射线与多边形所在平面交点投影到二维平面上投影平面取之一判断点在多边形内79射线与长方体求交射线与长方体得两个平行平面求交得到1对交点:(,)

对所有三对平行面相交得到3对交点:射线与长方体得交点可通过求:若,为射线与长方体得交点,否则射线与长方体无交点80类似于梁友栋-Barsky裁剪算法81光线跟踪方法射线与球面求交中心为Pc,半径为r得球面可定义为:由射线方程有:

因为

,有:

写作82当射线与球面有交时,方程有解光线跟踪方法求交测试复杂度:O(n)当n巨大

空间加速结构83空间加速结构包围盒如果射线与物体包围盒不相交,

则必定不与物体相交包围盒层次结构多重包围盒每层包围多个几何体几何体个数从上至下递减84853DDDA将几何体离散地组织到体元中86空访问八叉树(进一步加速)87PASS

光线跟踪方法在GIS中得引用空间分析——可视域计算88辐射度方法辐射度方法就是继光线跟踪算法后,真实感图形绘制技术得