最新真实感图形的绘制教学讲义PPT课件.ppt

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1、真实感图形的绘制第三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。第四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成，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。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

2、明特性、表面特性和观察角度。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Lambert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

3、。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。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·()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·()/R2LN表面对于平行投影，光源在无穷远处，故距离R成为无穷大。对于透视投影，1/R2也常

4、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r+k代替R2来获得：I=Ia·κa+Ip·Id·()/(r+k)其中r是光源到表面的距离，k是根据经验选取的一个常数。3.镜面反射与Phong模型镜面反射是指来自具体光源的光能到达可见表面上的某一点后，主要沿着由射入角等于反射角所决定的方向传播，从而使得观察者从不同角度观察时，这一点呈现的亮度并不相同。在任何有光泽的表面上都可以观察到镜面反射的效果。例如，用很亮的光照射一个红色的苹果，会发现最亮点不是红色的，而是有些呈现白色，这是入射光线的颜色。这个最亮点就是有镜面反射引起的。如果观察者移动位置，会看到最亮点也随之移动。指向

5、点光源反射方向指向观察点镜面反射在镜面反射的示意图中，只有当观察者相对表面的方向V与反射光线的方向R之间的夹角为零时，才能看到镜面反射引起的反射光线。对于不是非常理想的光泽表面，例如一个苹果，反射光线引起的亮度随着的增大而迅速下降。由PhongBui-Tuong提出的光照明模型，用来近似反射光线引起的亮度随着增大而下降的速率。n取值一般在1到2000之间，决定于反射表面的有关性质。对于理想的反射表面，n就是无穷大。这里选用，是以经验观察为基础的。对实际物质来说，被镜面反射的入射光的数量是与入射角有关的。如果将镜面反射光的百分数记为，那么就可以将计算表面亮度的公式修改而得到：这里可以假定

6、反射光线的方向向量R和指向观察点的向量V都已经正规化，即已经是长度为1的单位向量，于是可以简单地利用向量内积计算余弦值：.对，通常根据经验选取一个常数来代替，这样公式可写成下面更容易计算的形式：对于彩色表面，上述各公式也可以应用，只需分别应用于对各颜色分量的计算。例如，选择通常的红、绿、蓝颜色系统，这时上述公式中有关亮度及反射系数等，就要看做是三元向量。通过分别对各颜色分量进行计算，就可以完成对彩色表面的亮度计算。4．光的衰减光在传播的过程中，其能量会衰减。光的传播过程分为两个阶段：从光源到物体表面的传播及从物体表面到人眼的传播。光的第一个传播阶段的衰减使物体表面的入射光强度变弱，第二

7、个阶段的衰减使人眼接受到的物体表面的反射光的强度变弱，光在光源到物体表面的过程中的衰减。在同一光源的照射下，距光源近的物体看起来亮，而距光源较远的物体看起来暗。衰减比例为光的传输距离平方的倒数，若以衰减函数f(d)来表示衰减的比例，则f(d)=1/d2其中，d为光的传播距离。这种变化规律对点光源来说是正确的，但真实的世界中物体并不是以点光源照射的。为了弥补点光源的不足，产生真实感更强的图形，一个有效的衰减函数的取法如下：f(d)=min(1/(