真实感图形生成技术

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1、图形光照模型真实感图形表示的两个方面：物体的精确图形表示场景中光照效果的适当的物理描述图形光照模型的三个主要方面：光照明模型：用于物体表面光照强度的计算面绘制算法：确定物体表面所有投影像素点的光照强度光照效果：透明性、纹理、阴影的处理，不同形状、颜色、位置的光源可以为一个场景带来不同的光照效果简单光照模型光源点光源：光线由光源向四周发散，这种光源模型是对场景中比物体小得多及离现场足够远的光源的合适的逼近。分布式光源：对光源大小与场景中面片相比不够小及近处光源光照效果的模拟。当光照射到一个不透明的物体表面时，部分被反射，部分被吸收并转化为热。对一个透明的表面，部分入射光被反射，而

2、另一部分被透射。其中，反射或透射部分的光使物体可见。如果入射光全部被吸收，物体将不可见，该物体称为黑体。一物体表面呈现的颜色是由物体表面向视线方向辐射的光能中各种波长的分布所决定的。光能中被吸收、反射或透射的数量决定于光的波长和物体的表面特性。由于光照射到物体表面产生的现象是很复杂的，它与光源的性质、形状、数量、位置有关，还与物体的几何形状、光学性质、表面纹理等许多因素有关，甚至与人眼对光的生理与心理视觉因素有关，我们不可能把这一切都准确计算出来。我们将讨论计算光强度的一些较为简单的方法，这些经验模型为计算物体表面某点处的光强度提供了简单有效的途径，并能在许多应用场合获得较好的

3、效果。光的反射类型：漫反射：粗糙物体表面上反射光向各个方向散射。特点：从各视角看到的光亮度几乎相同。镜面反射：光源产生的高光或强光。特点：在光滑物体表面很明显，对于粗糙物体表面则效果很差。环境光：在简单光照模型中，可以用环境光（背景光）来简单模拟从不同物体表面所产生的反射光的统一照明。没有空间或方向上的特征，在所有方向上和所有物体表面上投射的环境光数量都恒定不变。漫反射：朗伯(lambert)余弦定律总结了点光源所发出的光照射在一个完全漫反射体上时光的反射法则。根据朗伯定律，一个完全漫射体上反射出来的光强度同入射光与物体表面法线之间夹角的余弦成正比。即Id﹦kdILcosθ0≤

4、θ≤1(1)式中Id为漫反射光强度；IL为从一点光源所发出的入射光的光强度；kd为决定于物体表面材料属性的漫反射系数，0≤kd≤1；θ为入射光与表面法向量之间的夹角，如下图所示。反射光的光强度是光波长的函数，然而在简单的光照模型中，通常假定光波长为常数。若N为物体表面的单位法向量，L为从表面上一点指向点光源的单位矢量，则cosθ=N·L，则：Id﹦kdIL(N·L)(2)环境光在实际场景中，一个物体即使不直接暴露于光源之下，还会接收到从周围物体散射出来的光，这种光是由于周围各物体被照明后多次反射所产生的。例如从墙壁、地板及天花板等反射回来的光。这种光是一种分布光源，称为环境光。

5、环境光的特点是照射在物体上的光来自周围各个方向，又均匀地向各个方向反射。由于处理分布光源所需计算量甚大，通常将这种光所产生的效应简化为在各个方向都有均匀的光强度。这样，每个物体表面都得到同样大小的光照，且反射光相对于该物体表面亦为常数，即反射光与观察方向和物体表面的朝向无关。但不同物体的反射光强度取决于物体的表面特性，如果用Ia表示环境光的大小，则表面上一点对环境光的反射强度Ie可表示为Ie﹦kaIa0≤ka≤1(3)式中ka为由物体表面材料属性决定的环境光反射系数。镜面反射光除了漫反射，光源照射物体表面还会产生高光或强光，这种现象称为镜面反射。这种高光效果在光滑的物体表面上很

6、明显，如磨光的金属表面,而对于阴暗物体表面则效果较差。镜面反射光是具有一定方向的反射光。镜面反射角等于入射角，它们位于表面的单位法向量N的两侧，如图所示。用R表示镜面反射方向的单位矢量，L表示指向点光源的单位矢量，V为指向视点的单位矢量，是V与R之间的夹角。对于一个理想的镜面反射，入射光仅在镜面反射方向有反射现象，即仅当V与R重合时才能观察到反射光，而在其它方向都看不到反射光。对于这种光滑的反射面，镜面的反射光强比漫反射的光强和环境光的光强高出很多倍。对于一般光滑表面，由于表面具有一定粗糙度，其表面实际上是由许多朝向不同的微小表面组成，镜面反射方向分布在R周围有限范围内。较光

7、滑表面的镜面反射范围较小，而粗糙的物体表面则有较大的镜面反射范围。Phong提出一个计算镜面反射的经验公式，称为Phong模型。公式用余弦函数的幂次来模拟镜面反射光的空间分布，可表示为：Is﹦ksIlcosnα(4)式中Is为镜面反射光强度；Il为入射光的光强度；ks为决定于物体表面材料属性的镜面反射系数，它是入射角和入射光波长的函数，很难精确得到，实际应用中常以美学观点或实验方法取一常数，0≤ks≤1；镜面反射光强度与cosnα成正比，0°≤α≤90°，因而0≤cosnα≤1。n为镜面反射