CG-6 真實(shí)感圖形設(shè)計(jì)

主要內(nèi)容6.1概述6.2顏色的基本知識(shí)6.3光的基本知識(shí)6.4明暗處理第6章真實(shí)感圖形設(shè)計(jì)1決定物體外觀的因素物體的幾何形狀物體表面特性材料的粗糙度、表面顏色等；外部光源亮度、顏色、類型；觀察者的視點(diǎn)物體周圍環(huán)境6.1概述2一、顏色顏色是外來光作用于人的視覺器官而產(chǎn)生的主觀感覺光是人的視覺系統(tǒng)能夠感知到的電磁波；波長(zhǎng)在400nm到700nm之間；6.2顏色的基本知識(shí)3光是人的視覺系統(tǒng)能夠感知到的電磁波；波長(zhǎng)在400nm到700nm之間；6.2顏色的基本知識(shí)4單色光：一束光只包含一種波長(zhǎng)的能量，而其它波長(zhǎng)都為零彩色光：其中各波長(zhǎng)的能量分布不均勻6.2顏色的基本知識(shí)5白光：一束光的各種波長(zhǎng)的能量大致相等6.2顏色的基本知識(shí)6二、三色學(xué)說任何一種顏色可以用紅、綠、藍(lán)三原色按照不同比例混合來得到根據(jù)這個(gè)學(xué)說，提出RGB顏色模型以及其他的CG顏色模型用這種原色的混合匹配能產(chǎn)生光譜中的每一種顏色，其匹配過程可表示為：C=rR+gG+Bb6.2顏色的基本知識(shí)7三、顏色模型是指某個(gè)三維顏色空間中的一個(gè)可見光子集，它包含某個(gè)顏色域的所有顏色面向硬件的顏色模型RGB模型、CMY模型面向用戶的顏色模型HSV模型顏色模型的用途是在某個(gè)顏色域內(nèi)方便的指定顏色6.2顏色的基本知識(shí)8(1)RGB模型Red（紅）、Green（綠）、Blue(籃)應(yīng)用：彩色CRT加色模型6.2顏色的基本知識(shí)9RGB色彩模式

該模式按加法原理，用紅(Red)、藍(lán)(Blue)、綠(Green)三種基本色配制其它色彩。R、G、B可分別在0～255之間取值。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顏色的基本知識(shí)10(2)CMY模型Cyan（青）、Magenta（品紅）、Yellow（黃）應(yīng)用：繪圖儀、印刷機(jī)、打印機(jī)等硬拷貝設(shè)備減色模型6.2顏色的基本知識(shí)11CMYK色彩模式青(Cyan)品紅(Magenta)黃(Yellow)黑(black)采用四種基本色配制其它色彩C、Y、M、K的取值可從0％～100％6.2顏色的基本知識(shí)126.3光的基本知識(shí)光的基本知識(shí)光源特性光源分類光的反射和傳播簡(jiǎn)單光照模型13一、光源特性光的色彩光的色彩一般用紅、綠、藍(lán)三種色光的組合成分來描述光的強(qiáng)度光的強(qiáng)弱由R、G、B三色光的強(qiáng)弱而決定3D空間中一點(diǎn)的總光強(qiáng)I為：I=0.30Ir+0.59Ig+0.11Ib6.3光的基本知識(shí)14二、光源分類點(diǎn)光源（PointLightSource）點(diǎn)光源所發(fā)射的光線，是從一點(diǎn)向各方向發(fā)射的6.3光的基本知識(shí)15分布式光源（DistributedLightSource）分布式光源所發(fā)射的光線，是從一個(gè)面向一個(gè)方向發(fā)射的平行光線6.3光的基本知識(shí)16漫射光源（AmbientLightSource）漫射光源所發(fā)射的光線，是從一個(gè)面上的每一點(diǎn)向各個(gè)方向發(fā)射的光線6.3光的基本知識(shí)17三、光的反射和傳播漫反射漫反射光均勻向各方向傳播，空間分布均勻，與視點(diǎn)無關(guān)

光照模型：入射光強(qiáng)度物體表面漫反射系數(shù)入射角6.3光的基本知識(shí)18鏡面反射對(duì)于理想鏡面鏡面反射光集中在一個(gè)方向，并遵守反射定律對(duì)一般的光滑表面反射光集中在一個(gè)范圍內(nèi)，且由反射定律決定的反射方向光強(qiáng)最大；對(duì)于同一點(diǎn)來說，從不同位置所觀察到的鏡面反射光強(qiáng)是不同的6.3光的基本知識(shí)19鏡面反射光照模型：

其中：Ip為入射光強(qiáng)度；

Ks為反射率系數(shù)，是入射角θ和光波長(zhǎng)λ的函數(shù)；

α為觀察角；6.3光的基本知識(shí)206.3光的基本知識(shí)n為鏡面反射指數(shù)，n的取值與表面粗糙程度有關(guān)n越大，表面越平滑（散射現(xiàn)象少，稍一偏離，明暗亮度急劇下降）n越小，表面越毛糙（散射現(xiàn)象嚴(yán)重）216.3光的基本知識(shí)高光現(xiàn)象入射光在光滑物體（如金屬或塑料）表面形成的特別亮的區(qū)域22環(huán)境光環(huán)境光是指光源間接對(duì)物體的影響，是在物體和環(huán)境之間多次反射，最終達(dá)到平衡時(shí)的一種光光照模型：

Ia為環(huán)境光在整個(gè)場(chǎng)景中的入射強(qiáng)度

Ka為環(huán)境光對(duì)該物體表面的反射系數(shù)（0≤ka≤1）6.3光的基本知識(shí)23四、簡(jiǎn)單光照模型光照射到物體表面，主要發(fā)生：反射、透射（對(duì)透明物體）、吸收（轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽┓瓷涔?、透射光決定了物體所呈現(xiàn)的顏色物體表面上一點(diǎn)P反射到視點(diǎn)的光強(qiáng)I包括：環(huán)境光的反射光強(qiáng)Ie漫反射光強(qiáng)Id鏡面反射光強(qiáng)Is

6.3光的基本知識(shí)24簡(jiǎn)單光照模型的特點(diǎn)顯示出的物體象塑料，沒有質(zhì)感；環(huán)境光是常量，沒有考慮物體之間相互的反射光；鏡面反射的顏色是光源的顏色，與物體的材料無關(guān)；鏡面反射的計(jì)算在入射角很大時(shí)會(huì)產(chǎn)生失真。6.3光的基本知識(shí)256.4明暗處理明暗處理均勻著色光滑著色哥羅德（Gouraud）光強(qiáng)度插值法馮（Phong）法向插值法266.4明暗處理一、均勻著色法向量的計(jì)算計(jì)算物體表面上各點(diǎn)處的光強(qiáng)關(guān)鍵是求出該點(diǎn)處的法向量均勻著色原理假設(shè)物體由平面多邊形圍成，每個(gè)平面多邊形上的點(diǎn)共有一個(gè)法向量如果光源到達(dá)物體的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物體的尺寸，則可認(rèn)為光源到達(dá)物體表面的距離為定值物體表面每一個(gè)平面的光強(qiáng)為一常數(shù)27均勻著色方法1、任取多邊形上一點(diǎn)，利用光照模型計(jì)算出它的顏色2、用這個(gè)顏色填充整個(gè)多邊形6.4明暗處理28均勻著色適用場(chǎng)景：1）光源在無窮遠(yuǎn)處；2）視點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處；3）物體由平面多邊形圍成。6.4明暗處理29均勻著色的優(yōu)點(diǎn)每個(gè)多邊形只需計(jì)算一次光照明方程，速度快均勻著色的缺點(diǎn)相鄰多邊形顏色過渡不光滑6.4明暗處理306.4明暗處理二、光滑著色對(duì)于表面包含曲面的物體，需要求曲面上每一點(diǎn)的法向量，計(jì)算量很大可采用平面多邊形來逼近曲面如果用來逼近曲面的平面被劃分的很細(xì)，可以得到比較理想到真實(shí)感圖形。否則，容易出現(xiàn)馬赫帶效應(yīng)，圖形的真實(shí)感降低為避免上述問題，通常采用Gouraud的光強(qiáng)度插值法和Phong的法向插值法311、Gouraud光強(qiáng)度插值著色方法通過對(duì)多邊形頂點(diǎn)光強(qiáng)度進(jìn)行線性插值來獲得其內(nèi)部各點(diǎn)顏色6.4明暗處理326.4明暗處理Gouraud算法過程將曲面近似分割成若干個(gè)小平面；計(jì)算小平面相交頂點(diǎn)上的平均單位法向量；根據(jù)光照模型計(jì)算各個(gè)頂點(diǎn)的光強(qiáng)度；插值計(jì)算相交邊上各點(diǎn)的光強(qiáng)度；插值計(jì)算小平面中各點(diǎn)的光強(qiáng)度。33Gouraud明暗處理用于完全漫反射表面時(shí)效果較理想，消除馬赫帶效應(yīng)也較好；在明暗處理時(shí)，物體表面上出現(xiàn)過亮或過暗的條紋，稱為馬赫帶（Mach_band）效應(yīng)在處理鏡面反射時(shí)，會(huì)使鏡面上的高光亮區(qū)域的形狀和位置發(fā)生變化，甚至模糊不清；同時(shí)，也不能有效消除馬赫帶效應(yīng)6.4明暗處理342、Phong法向插值著色方法6.4明暗處理35P處法矢量的計(jì)算可分為兩步：根據(jù)A,B處的法矢量作線性插值求處Q處法矢量；根據(jù)B,C處的法矢量作線性插值求出R處法矢量；對(duì)Q,R處法矢量作線性插值，求出P處的表面法矢量36Phong算法過程把曲面近似的分成若干個(gè)小平面；計(jì)算各個(gè)小平面相交頂點(diǎn)上的平均法矢量；計(jì)算兩平面相鄰邊上各點(diǎn)法矢量；計(jì)算各小平面中各點(diǎn)法矢量；根據(jù)光照模型，計(jì)算所有點(diǎn)的光強(qiáng)度；6.4明暗處理37

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