大三05計算機圖形學(xué)-shading i

ShadingI

明暗處理I

原著EdAngelProfessorofComputerScience,ElectricalandComputerEngineering,andMediaArtsUniversityofNewMexico編輯武漢大學(xué)計算機學(xué)院圖形學(xué)課程組Objectives簡單介紹各種使多邊形網(wǎng)格看起來真實的方法Learntoshadeobjectssotheirimagesappearthree-dimensional學(xué)會對模型進行明暗處理從而使圖像具有三維效果Introducethetypesoflight-materialinteractions介紹光源與材料的交互作用Buildasimplereflectionmodel---thePhongmodel---thatcanbeusedwithrealtimegraphicshardware建立簡單的光照模型—Phong模型，其可以應(yīng)用到實時圖形硬件中Outline多邊形網(wǎng)格看起來真實感方法6.1LightandMatter光線與材質(zhì)6.2LightSources光源6.3PhongModelPhong光照模型多邊形網(wǎng)格模型正如在第4.5節(jié)所述，在計算機圖形學(xué)中的模型通常是由多邊形網(wǎng)格構(gòu)成的右圖以線框形式顯示一個場景，由540個立方體組成隱藏面消除使多邊形網(wǎng)格顯得真實的第一種方法是隱藏面消除。該算法在第五、七章中介紹右圖顯示的是前一頁場景經(jīng)隱藏面消除后的結(jié)果但結(jié)果仍然顯得平坦模擬光照在隱藏面消除后，為了使對象看起來更真實，應(yīng)當模擬光照在物體的狀態(tài)，即應(yīng)當通過計算確定表示對象的像素的適當狀態(tài)在這種計算中應(yīng)充分根據(jù)對象表面的狀態(tài)，光源的位置以及視點的位置需要計算每幀圖像中各個像素的顏色亮度，而不是由用戶直接指定示例光滑明暗處理如果多邊形網(wǎng)格表示的對象為光滑對象，那么顯示的結(jié)果應(yīng)當反映這種光滑性在計算了每個頂點處的亮度后，應(yīng)用線性插值計算出內(nèi)部的亮度－－稱為Gouraud明暗處理算法鏡面光為了得到更真實的效果，可以加入鏡面光的效果陰影在加入陰影后，可以進一步提高圖像的真實感紋理映射在對象表面上加上紋理效果，會使圖像的真實感增強一大步其它增加真實感的方法光線跟蹤計算復(fù)雜容易實現(xiàn)，生成的圖形中正確地反映陰影、鏡面反射以及透明的效果輻射度方法研究生課程，《計算機真實感圖形的算法基礎(chǔ)》，科學(xué)出版社，彭群生、鮑虎軍、金小剛。6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

（Whyweneedshading為什么需要明暗處理?）SupposewebuildamodelofasphereusingmanypolygonsandcoloritwithglColor.Wegetsomethinglike假設(shè)應(yīng)用多邊形網(wǎng)格建立了球面的模型，其顏色采用glColor定義，那么得到的結(jié)果為Butwewant而我們希望結(jié)果為6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

（Shading明暗處理-1）Whydoestheimageofarealspherelooklike為何實際中球的圖像應(yīng)當類似于Light-materialinteractionscauseeachpointtohaveadifferentcolororshade光源與材料的交互作用導(dǎo)致每點有不同的顏色或者明暗效果Needtoconsider這時需要考慮Lightsources光源Materialproperties材料屬性Locationofviewer觀察者位置Surfaceorientation曲面定向6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

（Shading明暗處理-2）6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(Scattering散射)LightstrikesA光照射到A點Somescattered有些被反射Someabsorbed有些被吸收SomeofscatteredlightstrikesB反射光中有些射到B點Somescattered有些被反射Someabsorbed有些被吸收SomeofthisscatteredlightstrikesA反射光中又有些射到A點，…… andsoonFig.6.1Reflectingsurfaces6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(RenderingEquation光照方程)Theinfinitescatteringandabsorptionoflightcanbedescribedbytherenderingequation光的無窮次反射和吸收過程可以用光照方程(renderingequation)描述Cannot

be

solvedingeneral一般是無法求解的，即使應(yīng)用數(shù)值方法也是非常復(fù)雜的Raytracingisaspecialcaseforperfectlyreflectingsurfaces光線跟蹤只適用于完全反射曲面這一特殊情形的Renderingequationisglobalandincludes光照方程是全局的，并且包含Shadows陰影Multiplescatteringfromobjecttoobject對象間的多次反射6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(GlobalEffects全局效果)translucentsurface透明表面shadow陰影multiplereflection多重反射6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(LocalvsGlobalRendering局部與全局光照)Correctshadingrequiresaglobalcalculationinvolvingallobjectsandlightsources正確的明暗處理需要全局計算，即包含了所有的對象和光源patiblewithpipelinemodelwhichshadeseachpolygonindependently(localrendering)這與流水線模型不兼容，在這個體系中對每個多邊形單獨進行明暗處理（局部光照）However,incomputergraphics,especiallyrealtimegraphics,wearehappyifthings“l(fā)ookright”然而在計算機圖形學(xué)中，特別是在實時圖形應(yīng)用中，如果所得結(jié)果看起來可以的話，這種局部計算是可以接受的Existmanytechniquesforapproximatingglobaleffects存在許多方法逼近全局效果6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(Light-MaterialInteraction光線與材料的相互作用)Lightthatstrikesanobjectispartiallyabsorbedandpartiallyscattered(reflected)照射在對象上的光線部分被吸收，部分被反射如果對象是透明的，有些光被折射Theamountreflecteddeterminesthecolorandbrightnessoftheobject反射部分的多少確定對象的顏色與亮度Asurfaceappearsredunderwhitelightbecausetheredcomponentofthelightisreflectedandtherestisabsorbed對象表面在白光上看起來是紅的，就是因為光線中的紅色分量被反射，而其它分量被吸收Thereflectedlightisscatteredinamannerthatdependsonthesmoothnessandorientationofthesurface反射光被反射的方式是由表面的光滑程度和定向確定的6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(SurfaceTypes物體表面性質(zhì))鏡面(specularsurfaces)Thesmootherasurface,themorereflectedlightisconcentratedinthedirectionaperfectmirrorwouldreflectedthelight漫反射面(diffusesurfaces)Averyroughsurfacescatterslightinalldirections半透明面(translucentsurfaces)Toallowsomelighttopenetratethesurface6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(Specularsurfaces鏡面)表面顯得明亮，因為絕大多數(shù)光集中在嚴格鏡面反射方向的周圍鏡子是理想的鏡面模型入射光除部分被吸收外，全部以單一角度反射smoothsurface6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(Diffusesurfaces漫反射面)特征是反射光線散射到各個方向例如：涂有粗糙或無光涂料的墻面理想漫反射面：把光線均勻散射到各個方向roughsurface6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(Translucentsurfaces半透明面)有些光可以進入表面，從對象的另一處出來例如：玻璃與水中的折射這時也會有部分光被表面反射6.1LightandMatter光線與材質(zhì)

(三種情形的表面)在三維場景中的每個對象的表面可以是上述三種情形中的任一種，也可以是其中兩種或三種的綜合每種情形所占的比例由對象表面的性態(tài)確定6.2LightSources光源

(光源的描述)光線從光源表面離開的方式有兩種自發(fā)射反射在表面上任一點(x,y,z)所發(fā)出的光可以用θ,φ兩個方位角表示以及每個波長λ的強度確定光源模型：光照函數(shù)有六個變量I(x,y,z,θ,φ,λ)Fig.6.5Lightsource6.2LightSources光源Generallightsourcesaredifficulttoworkwithbecausewemustintegratelightcomingfromallpointsonthesource一般的光源是很難處理的，因為我們需要對于在光源面上的所有點進行光強積分

Fig.6.6Addingthecontributionfromasource6.2.1Colorsources光源的顏色光源不但發(fā)射出不同量的不同頻率的光，而且它們的方向?qū)傩噪S著頻率也可能不同真正的物理模型將非常復(fù)雜人的視覺系統(tǒng)是基于三原色理論的在大多數(shù)應(yīng)用中，可以用三種成分—紅、綠、藍—的強度表示光源光亮度(luminance)函數(shù)為L=[Lr,Lg,Lb]SimpleLightSources簡單光源類型Pointsource點光源ModelwithpositionandcolorDistantLightSource遠光源Distantsource=infinitedistanceaway(parallel)Spotlight聚光燈RestrictlightfromidealpointsourceAmbientlight環(huán)境光SameamountoflighteverywhereinsceneCanmodelcontributionofmanysourcesandreflectingsurfaces6.2.2AmbientLight環(huán)境光模擬均勻光照：在場景中每個點都具有相同的亮度嚴格意義上說，環(huán)境光也是來自于某個光源，但由于在光照計算中進行了某些簡化，需要用環(huán)境光來模擬多次反射后的效果環(huán)境光亮度是由La=[Lar,Lag,Lab]確定的，在每點的值完全相同各個表面對環(huán)境光的反射是不同的6.2.3PointSource點光源由位置和顏色表示理想的點光源向各個方向發(fā)射光點光源的亮度函數(shù)L(p0)=[Lr(p0),Lg(p0),Lb(p0)]在點p接受的光強反比于光源與點的距離平方6.2.3PointSource點光源

(點光源的應(yīng)用)在計算機圖形學(xué)中大量應(yīng)用點光源，是因為它易于使用但不能很好地反映物理現(xiàn)實只有點光源的場景得到的圖像中對比度比較高；對象顯得要么很亮，要么很暗而真實的光源由于尺寸較大，因此場景的結(jié)果比較柔和6.2.3PointSource點光源

(真實光照)Asourceoffinitesize有限大小的光源可以在點光源中加入環(huán)境光降低高對比度(highcontrast)的問題，形成柔和(softerscenes)

的場景完全在陰影中的區(qū)域稱為本影(umbra)部分在陰影中的區(qū)域稱為半影(penumbra)6.2.4spotlight聚光燈具有一個比較的窄的照明范圍，通常為圓錐形半無窮區(qū)域可以給點光源加上一定的限制得到 錐的頂點在ps,而中心軸方向為ls如果θ=180°,聚光燈成為點光源θ6.2.4spotlight聚光燈

(Morerealisticspotlights更真實的聚光燈)光亮度在照明錐內(nèi)具有一定的分布通常絕大多數(shù)光集中在照明錐的中心軸附近照明強度是光源到表面上某點向量s與中心軸夾角φ的函數(shù)6.2.4spotlight聚光燈

(聚光燈的照明強度函數(shù))可以采用各種方式定義強度函數(shù)通常定義為coseφ指數(shù)e確定光強度衰減的快慢之所以采用余弦函數(shù)，是因為在這種情況下，非常容易計算出來它的值：向量點乘法運算cosφ=s?l-θθφ6.2.5DistantLightSource遠光源在光照計算中需要計算從光源到當前點的向量入射方向為上述向量的相反向量，而且需要單位化如果光源在無窮遠，該向量為常數(shù)光線為平行線，方向不變太陽光是無窮遠光源的典型代表6.3PhongModelPhong光照模型AsimplemodelthatcanbecomputedrapidlyHasthreecomponents三類分量Diffuse漫反射光Specular鏡面反射光Ambient環(huán)境光Usesfourvectors四個向量

Tosource光源方向IToviewer視點方向vNormal法向nPerfectreflector理想反射方向r6.3PhongModelPhong光照模型

(光源模型)Phong模型假設(shè)點光源的三原色都有各自的環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光用局部光照模型去模擬本質(zhì)上全局的光照效果需要9個系數(shù)來描述光源在表面上點p處的光照屬性，即入射光屬性：Lar,Lag,Lab,Ldr,Ldg,Ldb,Lsr,Lsg,Lsb這里沒考慮距離衰減因素，最后考慮6.3PhongModelPhong光照模型

(反射系數(shù))光照模型的前提是已知某點的入射光，通過某種方法求得在該點的反射光光源的漫反射項中紅光分量為Ldr，點p的反射率為Rdr，則光源在該點光強的貢獻值為RdrLdrRdr與材料屬性、表面朝向、光源方向以及光源與觀察者距離有關(guān)9個反射系數(shù)6.3PhongModelPhong光照模型

(IdealReflector理想反射)Normalisdeterminedbylocalorientation法向由局部定向確定Angleofincidence=angleofrefection入射角=反射角Thethreevectorsmustbecoplanar三個向量l,n,r必須共面r=2(l

·n)n–lSection6.4.26.3.2DiffuseReflection漫反射

(LambertianSurfaceLambertian表面-1)Perfectlydiffusereflector全漫反射模擬粗糙表面Lightscatteredequallyinalldirections光向各個方向均勻地反射6.3.2DiffuseReflection漫反射

(LambertianSurfaceLambertian表面-2)Amountoflightreflectedisproportionaltotheverticalcomponentofinglight反射光的比例正比于入射光的豎直分量reflectedlight反射光~cosφcosφ=l·nifvectorsnormalized如果向量為單位向量用向量點乘計算Therearealsothreecoefficients,kdr,kdg,kdbthatshowhowmuchofeachcolorcomponentisreflected存在三個系數(shù)kdr,kdg,kdb分別相應(yīng)于每種顏色的光反射的比例對每種光，反射光強Id=kd(l?n)Ld(l?n)常采用max(l?n,0)的形式6.3.2DiffuseReflection漫反射

(特點)粗糙表面之所以可見，主要是來自于表面的漫反射基于簡單Lambertian漫反射模型所生成的對象圖形顯得比較暗淡因為此時相當于假定在視點處有一個點光源，那些光源無法直接照到的地方顯得較黑在真實的場景中，對象也接受到其它對象反射過來的光6.3.2DiffuseReflection漫反射

(漫反射參數(shù)的影響)漫反射系數(shù)依次為0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0光強為1.0,背景光強為0.46.3.3SpecularReflection鏡面反射

(SpecularSurfaces鏡面)Mostsurfacesareneitheridealdiffusersnorperfectlyspecular(idealreflectors)大多數(shù)曲面既不是理想的漫反射型曲面，也不是真正的鏡面(理想反射)Smoothsurfacesshowspecularhighlightsduetoinglightbeingreflectedindirectionsconcentratedclosetothedirectionofaperfectreflection光滑表面之所以顯出鏡面高光，是因為入射光被反射后，絕大多數(shù)集中在理想反射方向周圍Specularhighlight鏡面高光6.3.3SpecularReflection鏡面反射

(ModelingSpecularRefections鏡面反射模型)PhongproposedusingatermthatdroppedoffastheanglebetweentheviewerandtheidealreflectionincreasedfIr~ksLscosaφshininesscoefficient光潔度系數(shù)(高光系數(shù))reflectedcoefficient反射系數(shù)ingintensity入射光強reflectedintensity反射光強n:法向量l:入射光方向r:理想反射方向v:視點方向φ:r與v的夾角6.3.3SpecularReflection鏡面反射

(TheShininessCoefficient光潔度系數(shù)(高光系數(shù)))Valuesofabetween100and200correspondtometals如果α的值介于100到200之間，那么對應(yīng)于金屬材料Valuesbetween5and10givesurfacethatlooklikeplastic如果α的值介于5到10之間，材料類似于塑料α趨向無窮大時，鏡子cosa

ff90-906.3.3SpecularReflection鏡面反射

(鏡面反射參數(shù)的影響)6.3.1AmbientLightReflection環(huán)境光反射Ambientlightistheresultofmultipleinteractionsbetween(large)lightsourcesandtheobjectsintheenvironment環(huán)境光是由于在場景中（大的）光源與對象間的多次相互作用而導(dǎo)致的Amountandcolordependonboththecolorofthelight(s)andthematerialpropertiesoftheobject環(huán)境光的量與顏色依賴于光源的顏色和對象的材料屬性AddkaIatodiffuseandspecularterms向漫反射和鏡面反射項中添加上kaLa項ka:reflectioncoef反射系數(shù)La:intensityofambientlight環(huán)境光強6.3.1AmbientLightReflection環(huán)境光反射

(環(huán)境光的影響)向漫反射光中加入不同的環(huán)境光的效果兩種光強都是1.0,漫反射系數(shù)為0.04環(huán)境光反射系數(shù)依次為0.0,0.1,0.3,0.5,0.76.3PhongModelPhong光照模型(DistanceTerms距離項)Thelightfromapointsourcethatreachesasurfaceisinverselyproportionaltothesquareofthedistancebetweenthem從點光源到達對象表面的光強反比于兩者之間距離的平方Wecanaddafactoroftheform1/(ad+bd+cd2)tothediffuseandspecularterms向漫反射項和鏡面項中添加形式為1/(a+bd+cd2)的因子，其中d表示距離Theconstantandlineartermssoftentheeffectofthepointsource常數(shù)與線性項柔和點光源的效果6.3Pho