第九章簡(jiǎn)單光照明模型

1、Computer Graphics第九章第九章 簡(jiǎn)單光照明模型簡(jiǎn)單光照明模型Computer Graphics綜述綜述 光照明模型是生成真實(shí)感圖形的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)言之，光照明模型是根據(jù)光學(xué)物理中的有關(guān)定律，計(jì)算出景物表面上任一點(diǎn)投向觀察者眼中的光亮度的大小和色彩組成的公式，從而在顯示器上生成所顯示的真實(shí)感圖形。 本章主要介紹一下簡(jiǎn)單光照明模型。 Computer Graphics光照產(chǎn)生的場(chǎng)景Computer Graphics9.1 9.1 簡(jiǎn)單光照明模型簡(jiǎn)單光照明模型用計(jì)算機(jī)在圖形設(shè)備上生成連續(xù)色調(diào)的真實(shí)感圖形必須完成四個(gè)基本的任務(wù) 建模投影變換可見(jiàn)性計(jì)算可見(jiàn)面顏色用數(shù)學(xué)方法建立所構(gòu)造三維場(chǎng)景的幾

2、何描述，并將他們輸入計(jì)算機(jī)，這部分工作可由三維立體造型或曲面造型系統(tǒng)來(lái)完成將三維幾何描述轉(zhuǎn)化為二維透視圖，這可通過(guò)對(duì)場(chǎng)景的透射變化來(lái)完成確定場(chǎng)景中的所有可見(jiàn)面，這需要使用隱藏面消除算法將視域之外或被其他物體遮擋的不可見(jiàn)面消去。計(jì)算場(chǎng)景中可見(jiàn)面的顏色。Computer Graphics9.1.1 9.1.1 光源光源v 光源稱(chēng)為發(fā)光體v 反射表面（如房屋的墻壁）則稱(chēng)為反射光源 光源反射面圖9.1 通常在一個(gè)不透明且不發(fā)光的物體表面所觀察到的光線(xiàn)是其反射光，它 由光源與其他物體表面的反射光所共同產(chǎn)生Computer Graphics光源的屬性光源的屬性v光源的幾何形狀： 點(diǎn)光源、線(xiàn)光源、面光源和體

3、光源v光源向四周所輻射光的光譜分布： 漫反射：粗糙物體表面往往將反射光向各個(gè)方向散射，物 體顏色實(shí)際是入射光線(xiàn)被漫反射后所表現(xiàn)的顏色。 鏡面反射：光源產(chǎn)生的高光或強(qiáng)光。v空間光亮度分布： 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，認(rèn)為光源通常朝空間各個(gè)方向發(fā)射的光強(qiáng)是相同的，但實(shí)際情況常常不是這樣，例如遮擋。圖9.2 表面的漫反射，鏡面反射Computer Graphics9.1.2 9.1.2 材質(zhì)材質(zhì)v 材質(zhì)是真實(shí)感圖形生成中重要的一個(gè)方面v 材質(zhì)的顏色是由它所反射的光的波長(zhǎng)決定的v 如果光線(xiàn)被投射至一個(gè)不透明的物體表面，則部分光線(xiàn)被反射，部分被吸收。 物體表面的材質(zhì)類(lèi)型決定了反射光線(xiàn)的強(qiáng)弱。 表面光滑較亮的材質(zhì)

4、將反射較多的入射光，而較暗 的表面則吸收較多的入射光。 v 同樣對(duì)于一個(gè)半透明物體的表面，部分入射光會(huì)被反射，而另一部分則被折射。 Computer Graphics9.1.3 9.1.3 簡(jiǎn)單光照明模型簡(jiǎn)單光照明模型 v 討論不包含透射光的簡(jiǎn)單光照明模型。假設(shè)物體不透明，那么物體表面呈現(xiàn)的顏色僅由其反射光決定。 v 反射光組成： 環(huán)境反射、漫反射、鏡面反射Computer Graphics1 1 環(huán)境反射光環(huán)境反射光v 由環(huán)境光在鄰近物體上經(jīng)過(guò)多次反射所產(chǎn)生的。光是來(lái)自四面八方的，例如從墻壁，地板及天花板等反射回來(lái)的光，可以看作是一種分布式光源。v 一個(gè)可見(jiàn)物體在僅有環(huán)境光照明的條件下，其上

5、各點(diǎn)明暗程度完全一樣，分不出哪個(gè)地方亮，哪個(gè)地方暗。v 其環(huán)境反射光亮度可表示為： (9.1) Ia：為物體的環(huán)境光反射亮度 Ipa：為環(huán)境光亮度 ka：為物體表面的環(huán)境光反射系數(shù)(0ka1) aapaIk IComputer Graphics2 2 漫反射光漫反射光v 漫反射分量表示特定光源在景物表面某一點(diǎn)的反射光中那些向空間各方向均勻反射出去的光。 v 表面對(duì)入射光在各個(gè)方向上都有相同強(qiáng)度的反射，因而無(wú)論從哪個(gè)角度觀察，這一點(diǎn)的光亮度都是相同的 v 郎伯余弦定律 對(duì)于一個(gè)漫反射體，表面的反射光亮度和光源入射角（入射光線(xiàn)和表面法向量的夾角）的余弦成正比，即 (9.2) cosddpdIk I

6、iId：為物體表面漫反射光的光亮度Ipd：為光源垂直入射時(shí)反射光的光亮度i：為光源入射角 kd：為漫反射系數(shù)，決定于表面材料及入射光的波長(zhǎng)(0kd1)對(duì)于漫反射體，它的表面除受特定光源照射外，還受到從周?chē)h(huán)境來(lái)的反射光的照射。因此適用于漫反射體的光照明模型可寫(xiě)成 (9.3) cosdadpdIIk IiComputer Graphics 球面漫反射球面漫反射v 由于A A點(diǎn)的光源入射角為零,故發(fā)出的光亮度最大(為Ipd)v 而B(niǎo) B和B B的光亮度就弱些。v 由于C C和C C的光源入射角為90。，故其表面光亮度為零。v 球面的明暗過(guò)渡曲線(xiàn)如圖9.3 (b)所示光亮度IpdIpd圖 9.3 簡(jiǎn)

7、單漫反射模型用于球面(a) (b) CBABCIpdcosiiCBABCComputer Graphics3 3 鏡面反射光鏡面反射光v 鏡面反射光為朝一定方向的反射光 v 根據(jù)光的反射定律，反射光和入射光對(duì)稱(chēng)地分布于表面法向的兩側(cè)。 v 對(duì)純鏡面，入射至表面面元上的光嚴(yán)格地遵循光的反射定律單向反射出去 v 對(duì)于一般光滑表面,由于表面實(shí)際上是由許多朝向不同的微小平面組成,其鏡面反射光分布于表面鏡面反射方向的周?chē)鷙 采用余弦函數(shù)的冪次來(lái)模擬一般光滑表面的鏡面反射光的空間分布。 (9.4) cosnsspsIk IIs： 為觀察者接受到的鏡面反射光亮度Ips：為入射光的光亮度：為鏡面反射方向和視線(xiàn)

8、方向的夾角，n：為鏡面反射光的會(huì)聚指數(shù)(與物體表面光滑度有關(guān)) ks：為鏡面反射系數(shù)(與材料性質(zhì)和入射光波長(zhǎng)有關(guān))N反射光入射光光滑平面 N反射光入射光鏡面Computer Graphics 視點(diǎn)相關(guān)性視點(diǎn)相關(guān)性v 投向觀察者的鏡面反射光不僅取決于入射光，而且和觀察者的觀察方向有關(guān)。v 當(dāng)視點(diǎn)取在鏡面反射方向附近時(shí)，觀察者接受到的鏡面反射光較強(qiáng)，而偏離這一方向觀察時(shí)，鏡面反射光就會(huì)減弱甚至消失。 圖9.5 Phong光照明模型用于光滑球面時(shí)的情形I IpspsI Ipspscoscosn nE ED DEE (a) (b)E ED DEEI Ipdpd光亮度Phong光照明模型應(yīng)用于光滑平面時(shí)

9、圖9.5(a)中D D點(diǎn)處鏡面反射方向和視線(xiàn)方向一致(=0)，D處呈現(xiàn)明亮的高光。而在E和E點(diǎn)，變大使觀察者接受到的鏡面反射光急劇下降。圖9.5(b)給出了鏡面反射分量的明暗過(guò)渡曲線(xiàn)。Computer GraphicsPhongPhong光照明模型光照明模型v 物體表面上任一點(diǎn)射向視點(diǎn)的光亮度I應(yīng)為環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光的總和v 多個(gè)光源時(shí) vka、kd和ks分別表示環(huán)境反射，漫反射和鏡面反射分量的比例系數(shù) 其中符號(hào)表示對(duì)所有特定光源求和，kd+ks=1 v 基于RGB三基色顏色系統(tǒng)的Phong模型coscosnapadpdspsIk Ik Iik I(coscos)napadpdsps

10、Ik Ik Iik IcoscosnpspspsspdpdpddpapapaabgrkibgrkbgrkbgrComputer GraphicsPhongPhong光照明模型光照明模型v一旦反射光中三種分量的顏色以及它們的系數(shù)一旦反射光中三種分量的顏色以及它們的系數(shù)ka, ka, kdkd和和ksks確定之后，從景物表面上某點(diǎn)達(dá)到觀察者的確定之后，從景物表面上某點(diǎn)達(dá)到觀察者的反射光顏色就僅僅和光源入射角和視角反射光顏色就僅僅和光源入射角和視角有關(guān)，有關(guān)，v因此，因此，PhongPhong模型實(shí)際上是純幾何模型模型實(shí)際上是純幾何模型。 PhongPhong光照明模型是真實(shí)感圖形學(xué)中提出的第一個(gè)光

11、照明模型是真實(shí)感圖形學(xué)中提出的第一個(gè)有影響的光照明模型，生成圖象的真實(shí)度已經(jīng)達(dá)到有影響的光照明模型，生成圖象的真實(shí)度已經(jīng)達(dá)到可以接受的程度可以接受的程度; ;Computer GraphicsPhongPhong光照明模型光照明模型的特點(diǎn)v 1)1)假設(shè)光源為理想點(diǎn)光源，且不考慮其輻射光強(qiáng)的空間分假設(shè)光源為理想點(diǎn)光源，且不考慮其輻射光強(qiáng)的空間分布。布。v 2)2)除了曲面的法向量外，曲面的所有幾何信息均不予考慮。除了曲面的法向量外，曲面的所有幾何信息均不予考慮。v 3)3)表面漫反射光亮度和鏡面反射光亮度均被認(rèn)為是對(duì)光源表面漫反射光亮度和鏡面反射光亮度均被認(rèn)為是對(duì)光源入射光的直接反射。入射光的

12、直接反射。v 4)4)表面鏡面反射光亮度由一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)模擬，但當(dāng)該光表面鏡面反射光亮度由一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)模擬，但當(dāng)該光亮度達(dá)到顯示器所能顯示的最高色度時(shí)，其變化將被裁剪亮度達(dá)到顯示器所能顯示的最高色度時(shí)，其變化將被裁剪掉。掉。v 5)5)用鏡面高光指數(shù)用鏡面高光指數(shù)n n來(lái)模擬景物表面的光滑程度。鏡面高光來(lái)模擬景物表面的光滑程度。鏡面高光指數(shù)指數(shù)n n的變化可使光源看上去變大或變小。的變化可使光源看上去變大或變小。v 6)6)鏡面反射光的顏色被假定成光源的顏色，而與表面材質(zhì)鏡面反射光的顏色被假定成光源的顏色，而與表面材質(zhì)屬性無(wú)關(guān)。屬性無(wú)關(guān)。v 7)7)周?chē)h(huán)境對(duì)景物表面的影響，即環(huán)境光，被假設(shè)

13、為一常周?chē)h(huán)境對(duì)景物表面的影響，即環(huán)境光，被假設(shè)為一常數(shù)。數(shù)。Computer Graphics 和和 的計(jì)算的計(jì)算 設(shè)L L0，N N0，R R0，V V0是與L L，N N，R R，V V相應(yīng)的單位向量，則 其中 動(dòng)態(tài)顯示場(chǎng)景，特別是采用平行光線(xiàn)繪制時(shí)，上述處理技術(shù)會(huì)大大減少 計(jì)算量。因?yàn)閷?duì)這種情況，L L0和N N0一次計(jì)算好，以后可反復(fù)使用。)(cos00NL i VR)(cos00000cos2LNRiiPVRNL圖 9.6 Phong模型計(jì)算中涉及的各方向向量N0L0R0i圖 9.7 R0的表示cosicosComputer Graphics9.2 9.2 光滑明暗處理技術(shù)光滑明暗

14、處理技術(shù)v 產(chǎn)生真實(shí)感圖形時(shí)，為了提高算法的效率，光滑的景物表面常由一些多邊形予以近似。 v 但是若使用通常的多邊形掃描線(xiàn)算法來(lái)繪制這種近似表示的物體，則生成的圖形將失去原有曲面的光滑性，而呈現(xiàn)多面體狀。這是由于不同平面片之間存在不連續(xù)的法向量，導(dǎo)致由多個(gè)平面片表示的物體表面光亮度呈現(xiàn)不連續(xù)躍變。v 代表算法：Gouraud光亮度插值和Phong法向量插值技術(shù) (a) (b)圖9.8 光滑表面的多邊形表示7123465Computer Graphics9.2.1 9.2.1 GouraudGouraud明暗處理技術(shù)明暗處理技術(shù)v 算法思想： 將曲面表面某一點(diǎn)的光亮度做近似表示，近似值為該曲面的

15、各多邊形頂點(diǎn)光亮度的雙線(xiàn)性插值。v 步驟： 多邊形各頂點(diǎn)光亮度計(jì)算 光亮度線(xiàn)性插值 I1V1V2V3B 掃描線(xiàn)掃描線(xiàn) AI2I3P (Ip)圖9.9 采用雙線(xiàn)性插值計(jì)算P點(diǎn)的光亮度Computer Graphics I1V1V2V3B 掃描線(xiàn)掃描線(xiàn) AI2I3P (Ip)圖9.9 采用雙線(xiàn)性插值計(jì)算P點(diǎn)的光亮度11222121IyyyyIyyyyIAAA31313131BBByyyyIIIyyyy其中yi（i1，2，3，A，B）為各點(diǎn)投影到屏幕之后的y軸坐標(biāo)。其中xi（iA，B，P）為各點(diǎn)投影到屏幕之后的x軸坐標(biāo)。BPPAPABBABAxxxxIIIxxxx采用Gouraud明暗處理不但可以克

16、服用多邊形近似表示曲面時(shí)曲面的光亮度不連續(xù)現(xiàn)象，而且計(jì)算量也很小 。為了進(jìn)一步提高計(jì)算效率，線(xiàn)性插值可使用增量法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算量?jī)H涉及一次加法計(jì)算。 9.2.1 Gouraud明暗處理技術(shù)明暗處理技術(shù)Computer Graphicsv 可沿掃描線(xiàn)，從左至右順序計(jì)算ABAB區(qū)段上所有象素的光亮度。 v 設(shè)IA,IB已確定，P P1和P P2點(diǎn)是相鄰兩象素的坐標(biāo)，相鄰象素的插值參數(shù)之差為I，那么，P P2點(diǎn)光亮度和P P1點(diǎn)光亮度之間有以下關(guān)系： I1V1V2V3B 掃描線(xiàn)掃描線(xiàn) AI2I3P (Ip)圖9.9 采用雙線(xiàn)性插值計(jì)算P點(diǎn)的光亮度IIxxIIIIAB112)/()(PABPP這種增

17、量方式的光亮度計(jì)算使得Gouraud明暗處理廣泛用于速度要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域。如飛行模擬，動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)以及CAD領(lǐng)域中的快速顯示等。9.2.1 Gouraud明暗處理技術(shù)明暗處理技術(shù)Computer Graphics頂點(diǎn)光亮度計(jì)算頂點(diǎn)光亮度計(jì)算v 取多邊形各頂點(diǎn)處原始曲面的法向量為該點(diǎn)的法向量v 取共享該頂點(diǎn)的各多邊形法向量的平均值作為該頂點(diǎn)處曲面的法向量如右圖： v 右圖中某個(gè)四邊形的四個(gè)頂點(diǎn)處的法向量相等，則會(huì)導(dǎo)致四個(gè)頂點(diǎn)處的光亮度相等，采用Gouraud明暗處理技術(shù)將使多邊形面片內(nèi)各點(diǎn)光亮度取常數(shù)，這顯然是不正確的。對(duì)這種情況的處理方式是把多邊形面片分割成更細(xì)小的多邊形。由于這些多邊形起到了過(guò)

18、渡作用，因而避免了錯(cuò)誤。 )(414321NNNNNPN3N2N1N4P圖 9.10 取曲面的法向量的平均值作為P點(diǎn)的法向量圖 9.11 Gouraud明暗處理光照明(a)(b)Computer GraphicsGouraudGouraud明暗處理技術(shù)的缺點(diǎn)明暗處理技術(shù)的缺點(diǎn)v Gouraud明暗處理不能正確地模擬高光 采用光亮度插值后將使多邊形內(nèi)的高光丟失。v Gouraud明暗處理所繪制畫(huà)面會(huì)誘發(fā)馬赫帶效應(yīng)v 雖然光亮度雙線(xiàn)性插值保證了由多邊形近似表示的曲面上各處光亮度的連續(xù)變化，但在相鄰多邊形的公共邊界上光亮度的一階導(dǎo)數(shù)并不連續(xù)，由于人眼的光學(xué)錯(cuò)覺(jué)，光亮度變化一階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)的邊界處會(huì)呈現(xiàn)

19、亮帶或黑帶，即馬赫帶效應(yīng)。Computer Graphics馬赫帶效應(yīng)是指視覺(jué)的主觀感受在亮度有變化的地方出現(xiàn)虛幻的明亮或黑暗的條紋，馬赫帶效應(yīng)的出現(xiàn)是人類(lèi)的視覺(jué)系統(tǒng)造成的。生理學(xué)對(duì)馬赫帶效應(yīng)的解釋是：人類(lèi)的視覺(jué)系統(tǒng)有增強(qiáng)邊緣對(duì)比度的機(jī)制。即明暗交界處感到亮處更亮，暗處更暗，是一種主觀的邊緣對(duì)比效應(yīng)。 Computer Graphics9.2.2 9.2.2 PhongPhong明暗處理技術(shù)明暗處理技術(shù)v 以增加一定的計(jì)算量為代價(jià)克服了Gouraud明暗處理的缺點(diǎn)。 v 正確地模擬高光并能大大減輕馬赫帶效應(yīng) v 可采用掃描線(xiàn)雙線(xiàn)性插值方法v 法向量插值明暗處理，對(duì)多邊形頂點(diǎn)處法向量做雙線(xiàn)性插值

20、 N1N3BNPA PV1V2V3NAN2NB圖 9.12 Phong明暗處理同Gouraud明暗處理中的雙線(xiàn)性插值方法類(lèi)似 仍可采用前述的增量法 Phong明暗處理從求解由多邊形近似表示的原曲面的法向量入手，畫(huà)面真實(shí)感較Gouraud明暗處理的繪制結(jié)果有明顯的改進(jìn) 由于N為矢量，而I為標(biāo)量，故進(jìn)行法向量插值時(shí)計(jì)算量較大，這影響了它在一些實(shí)時(shí)圖形系統(tǒng)中的直接應(yīng)用。Computer Graphics矢量插值矢量插值: :PhongPhong模型模型Computer Graphics光照明模型分類(lèi)光照明模型分類(lèi)v 依據(jù)光照明模型計(jì)算在每一象素上可見(jiàn)的景物表面投向觀察者的光亮度 v 簡(jiǎn)單光照明模型 能表現(xiàn)由光源直接照射在漫射表面上形成的連續(xù)明暗色調(diào)，鏡面上的高光以及由于景物互相遮擋而形成的陰影等，具有一定的真實(shí)感效果 v 整體光照明模型 除了考慮上述因素外，還要考慮周?chē)h(huán)境對(duì)景物表面的影響。例如，出現(xiàn)在鏡面上的其他景物的映像，通過(guò)透明面可觀察到后面的景物等。因此，整體光照明模型能模擬出鏡面映像，光的折射以及相鄰景物表面之間的色彩輝映等較精致的光照明效果。 Computer Graphics9.3