计算机图形学第六章真实感图形学

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1、第六章真实感图形学真实感图形学是计算机图形学中的一个重要组成部分，它的基本要求就是在计算机中生成三维场景的真实感图象。即给定一个三维场景及其光照明条件，如何确定它在屏幕上生成的图象的每一个象素的明暗、颜色，是真实感图形学需要解决的主要问题。目前，产生真实感图像主要有两种方式：1.基于物体空间的显示－多边形投影显示2.基于图像空间的显示－光线跟踪算法两种显示方式的比较基于物体空间的显示：这种显示方式首先将要显示的对象表示为相互连接的多边形（通常是三角形）面片；然后通过一条所谓的图形绘制管线将每一个三角形绘制到屏幕上。当所有面片都处理完毕后，就得到了一幅完整的真实感图像。这种显示方

2、式有图形硬件的支持，显示速度很快，通常用于交互设计。但它的真实感程度稍逊。典型应用：交互设计、游戏。基于图像空间的显示：这种显示方式逐个计算屏幕象素点的颜色，以获得整个屏幕的图像。它采用光线跟踪算法，通过逆向跟踪通过屏幕象素的光线路径，并累加路径上光线贡献，得到该象素点的色彩。这种显示方式可以生成超真实的图像，是生成最终效果图的主要方法。典型应用：广告。6.1颜色和视觉1）基本概念颜色：颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。物体的颜色不仅取决于物体本身，还与光源、周围环境的颜色，以及观察者的视觉系统有关系。色调、饱和度、亮度：从心理学和视觉的角度出发，颜色有如下

3、三个特性：色调(Hue)、饱和度(Saturation)和亮度(Lightness)。色调是一种颜色区别于其它颜色的要素，也就是我们平常所说的红、绿、蓝、紫等；饱和度是指颜色的纯度，在某种光中添加白色相当于减少该颜色的饱和度，鲜红色饱和度高，粉红色饱和度低；亮度即光的强度。主波长、纯度、明度：从光学物理学的角度出发，颜色的三个特性分别为：主波长(DominantWavelength)、纯度(Purity)和明度(Luminance)。主波长是产生颜色的光的波长，对应于视觉感知的色调；光的纯度对应于饱和度，而明度就是光的亮度。“色调、饱和度、亮度”与“主波长、纯度、明度”是从两个

4、不同角度来描述颜色的特性。颜色纺锤体：色调、饱和度、亮度，可以用一个三维的颜色纺锤体来表示。颜色纺锤体的垂直轴线表示亮度变化，顶部是白色，底部是黑色，从下向上，亮度越来越大；色调由水平圆周表示，圆周上不同角度的点代表着不同色调的颜色，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等，圆周中心的色调是中灰色，它的亮度和该水平圆周上各色调的亮度相同；从圆心向圆周过渡表示同一色调下饱和度的提高。在颜色纺锤体的一个平面圆形上，它们的色调和饱和度不同，而亮度是相同的。可见光的电磁波：可见光是人的视觉系统能够感知到的电磁波，它的波长在400nm－700nm之间。这些电磁波使人产生了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫

5、等颜色的感觉。可见光可以由它的光谱能量分布P(λ)来表示，其中λ是波长，当一束可见光的各种波长的能量大致相等时为白光；否则为彩色光；若一束可见光中，只包含一种波长的电磁波，其它波长都为零时，称其为单色光。但是，光谱与颜色的对应关系是多对一的，也就是说，具有不同光谱分布的光产生的颜色感觉是有可能一样的。这种现象称为“异谱同色”。需要采用其它颜色定义的方法，使光本身与颜色一一对应。白光的光谱能量分布彩色光的光谱能量分布单色光的光谱能量分布可见光的光谱2）三色学说三色学说也称为三刺激理论。近代的三色学说研究认为：人眼的视网膜中存在着三种锥体细胞，第一种锥体细胞专门感受红光，第二和第三

6、种锥体细胞则分别感受绿光和蓝光。它们三者共同作用，使人们产生了不同的颜色感觉。三色学说是真实感图形学的生理视觉基础。CIE（InternationalCommissiononIllumination，国际照明委员会）选取的标准红、绿、蓝三种光的波长分别为：红光，R，λ1=700nm；绿光，G，λ2＝546nm；蓝光，B，λ3＝435.8nm。任何光的颜色可以表示为：C=rR+gG+bB其中权值r、g、b为需要的R、G、B三色光的相对量，即三刺激值。这个系统被称为CIE-RGB系统。标准三原色匹配任意颜色的光谱三刺激值曲线CIE-RGB系统：在CIE-RGB系统，三刺激值可能是负

7、数。由于实际上不存在负的光强，而且这种计算极不方便，不易理解。1931年的CIE-XYZ系统利用三种假想的标准原色X（红）、Y（绿）、Z（蓝），能够使得到的颜色的三刺激值都是正值。即在CIE-XYZ系统中，任意光的颜色可以表示为：C=xX+yY+zZ而且x，y，z均为正。CIE-XYZ系统：三刺激空间：R、G、B三原色（其实是X、Y、Z）的单位向量定义了一个三维颜色空间，该三维向量空间称为(R、G、B)三刺激空间。色度图：为了在二维空间中表示颜色，取三刺激空间中的截面(R)＋(G)＋(B)＝