真实感图形的绘制

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1、第八章真实感图形的绘制第一节漫反射及具体光源的照明第二节多边形网的明暗处理第三节阴影第四节纹理第五节整体光照模型第六节光线跟踪第七节加速光线跟踪算法第八节辐射度方法第九节色彩模型8/30/20211用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感图形必须完成四个基本的任务。1用数学方法建立所构造三维场景的几何描述，并将它们输入至计算机。这部分工作可由三维立体造型或曲面造型系统来完成。2将三维几何描述转换为二维透视图。确定场景中的所有可见面，这需要使用隐藏面消除算法将被其它物体遮挡的不可见面消去。4计算场景中可见面的颜色，严格地说，就是根据基于光学物理的光照明

2、模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和颜色组，并将它转换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一象素的颜色，最终生成图形。8/30/20212当光照射到物体表面时，光线可能被吸收、反射和透射。被物体吸收的部分转化为热，反射、透射的光进入人的视觉系统，使我们能看见物体。为模拟这一现象，需要建立一些数学模型来替代复杂的物理模型，这些模型就称为明暗效应模型或者光照(明)模型。应用光照模型可计算物体表面向空间给定方向辐射的光亮度。8/30/202138/30/20214在光栅图形系统上显示的三维图形的真实感取决于能否成功地模拟明暗效应，这要求设计

3、较好的明暗模型，用以计算可见表面应该显示的亮度和彩色。明暗模型并不需要精确地考虑真实世界中光线和表面的性质，而只需要在兼顾精确程度和计算成本的要求下，追求更好的显示效果。通常设计一个明暗模型需要考虑的主要问题是照明特性、表面特性和观察角度。8/30/20215照明特性是指可见表面被照明的情况，主要有光源的数目和性质，环境光及阴影效应等。表面特性主要是指表面对入射光线的反射、折射或透明的不同情形，还有表面的纹理及颜色等。观察角度是指观察景物时观察者相对可见表面所在的位置。不同明暗模型的区别主要在于模拟的方法，实现的复杂程度，及取得的显示效果等方面。8/

4、30/20216一般来说，明暗模型可以分解为三个部分，即漫射照明、具体光源的照射及透射效应。具体光源的照明产生的效果又分为漫反射和镜面反射两部分。漫射照明漫反射明暗模型具体光源的照射镜面反射透射效应。8/30/20217简单的光照模型仅考虑光源照射在物体表面产生的反射光。这种光照模型通常假定物体是光滑的且由理想材料构成，所生成的图形可以模拟出不透明物体表面的明暗过渡，具有一定的真实感效果。这类光照明模型称为局部光照明模型。复杂的光照明模型除了考虑上述因素之外，还要考虑周围环境的光对物体表面的影响。如光亮平滑的物体表面会将环境中其它物体映像在表面上，而

5、通过透明物体也可看到其后的环境景象。这类光照模型称为整体光照模型，它能模拟出境面映像、透明等精细的光照明效果。8/30/20218第一节漫反射及具体光源的照明1．环境光在多数实际环境中，存在由于许多物体表面多次反射而产生的均匀的照明光线，这就是环境光线。环境光线的存在使物体得到漫射照明.亮度计算如下：I=Ia·κa8/30/20219其中I是可见表面的亮度，Ia是环境光线的总亮度，κa是物体表面对环境光线的反射系数，它在0到1之间.2．漫反射具体光源在物体表面可以引起漫反射和镜面反射。漫反射是指来自具体光源的能量到达表面上的某一点后，就均匀地向各个

6、方向散射出去，使得观察者从不同角度观察时，这一点呈现的亮度是相同的。通常不光滑的粗糙表面总是呈现出漫反射的效果8/30/202110Lambert定律指出，漫反射的效果与表面相对于光源的取向有关，即：Id=Ip·κd·COSθ其中Id是漫反射引起的可见表面上一点的亮度。Ip是点光源发出的入射光线引起的亮度。κd是漫反射系数，它的取值在0到1之间，随物体材料不同而不同。θ是可见表面法向N和点光源方向L之间的夹角，即入射角，它应该在0°到90°之间。8/30/202111为了简化公式中余弦值的实际计算，可以假定向量N和L都已经正规化，即已经是长度为1的单

7、位向量，这样就可以使用向量的数量积或内积。因为这时，于是得：Id=Ip·Id·(L·N)将环境光线和漫反射的效果结合起来，计算亮度的公式应该写成：I=Ia·κa+Ip·Id·()8/30/202112漫反射系数kd介于0，1之间的球面，在一点光源照射下产生的漫反射。ka=0.0kd=0.00.20.40.60.81.08/30/202113通常认为具体光源对可见表面产生的照明作用，是随着光源与表面之间距离的增加而下降的。设R是光线从光源发出到达表面再返回的距离，则I=Ia·κa+Ip·Id·()/R28/30/202114对于平行投影，光源在无穷远处

8、，故距离R成为无穷大。对于透视投影，1/R2也常常有很大的数值范围而使效果不好。一种比较逼真的效果，可通过用