2013-3-1 华中理工大学计算机学院 陆枫
99-7
1
第 10章 真实感图形绘制
提出问题
? 真实感图形绘制,
通过综合利用数学, 物理学, 计算机以及心理学
等知识在计算机图形输出设备上绘制出能够以假
乱真的美丽景象 。
2013-3-1 华中理工大学计算机学院 陆枫
99-7
2
第 10章 真实感图形绘制
用计算机生成三维场景的真实图形, 需完成步骤,
(1)在计算机中进行场景造型；
(2)进行取景变换和透视变换；
(3)进行消隐处理；
(4)进行真实感图形绘制
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3
真实感图形绘制
? 即根据假定的光照条件和景物外观因素, 依据
一定的光照模型, 计算可见面投射到观察者眼
中的光强度大小, 并将它转换成适合图形设备
的颜色值, 生成投影画面上每一个象素的光强
度, 使观察者产生身临其境的感觉 。
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99-7
4
基本概念,
? 光强 （ 度 ）,描述物体表面朝某方向辐射光的
颜色, 它既能表示光能大小又能表示其色彩组
成的物理量 。
? 光照模型 （ Illumination model）, 也称明暗模型,
主要用于物体表面某点处的光强度计算 。
? 简单的光照模型
? 复杂的光照明模型
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10.1 简单光照模型
? 简单光照模型中只考虑反射光的作用
? 反射光由环境光, 漫反射光和镜面反射
光三部分组成
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10.1.1 环境光
P点对环境光的反射强度为
aae KII ?
图 10-1 环境光的反射
P
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10.1.2 漫反射光
图 1 0 -2 点光源发射的光线路径
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由 Lambert余弦定理可得点 P处漫反射光的强度为,
图 10-3 漫反射
P
点光源 N
L
?
]
2
,0[,c o s ??? ?? dpd KII
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9
若 L和 N都已规格化为单位矢量, 则,
)( NLKII dpd ??
图 10-3 漫反射
P
点光源 N
L
?
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彩色,
),,( pBpGpRp IIII ?
)(
)(
)(
NLKII
NLKII
NLKII
dBpBdB
dGpGdG
dRpRdR
??
??
??
?
?
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n
i
idipd NLKII
1
,)(
有多个点光源,
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10.1.3 镜面反射光
镜面反射情况由 Phong模型给出,
图 1 0 -4 镜面反射
P
点光源
N
L
R
V
观察点
? ?
?
c o s ?nsps KII ?
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若 R和 V已规格化为单位矢量, 则,
从视点观察到物体上任一点 P处的光强度 I应为环境光
反射光强度 Ie,漫反射光强度 Id以及镜面反射光的光强
度 Is的总和,
n
sps VRKII )( ??
n
spdpaa
sde
VRKINLKIKI
IIII
)()( ?????
???
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10.1.4 光强衰减
一个常用的二次衰减函数可以表示为,
)
1
,1m i n ()( 2
210 dcdcc
df
??
?
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10.1.5 颜色
为产生彩色的场景, 要完成如下两步,
一是选择一个合适的颜色模型；
二是为颜色的三个分量分别建立光照模型 。
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10.2 基于简单光照模型的多边形绘制
10.2.1 恒定光强的多边形绘制
只用一种颜色绘制整个多边形,任取多边形上
一点, 利用简单光照模型计算出它的颜色, 该
颜色即是多边形的颜色 。
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10.2.2 Gouraud明暗处理
Gouraud明暗处理方法, 又称为亮度插值明暗处理, 它通
过对多边形顶点颜色进行线性插值来绘制其内部各点 。
用 Gouraud明暗处理来进行多边形绘制时需进行三个步骤：
1,计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量
2,对每个顶点根据简单光照模型来计算其光强 。
3,在多边形表面上将顶点强度进行线性插值 。
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10.2.3 Phong明暗处理
Phong明暗处理方法由 PhongBuiTuong提出, 又称为法矢
量插值明暗处理, 它对多边形顶点的法矢量进行插值
以产生中间各点的法矢量 。
Phong明暗处理的基本步骤是,
1,计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量 。
2,用双线性插值方法求得多边形内部各点的法矢量 。
3,最后按光照模型确定多边形内部各点的光强 。
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10.3 透明处理
图 1 0 -1 3 透明表面的光强包括反射光和折射光
入射光
反射光
折射光
透明景物
入射光
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图 10 -14 简单透明的处理
xz P
不透明景物
透明景物
B
A
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图 1 0 -1 5 光的折射
入射光
N
L
R
反射光
i
?
r
?
r
?
i
?
i
?
T
折射光
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10.4 产生阴影
从理论上来说, 从视点以及从光源看过去都
是可见的面不会落在阴影中, 只有那些从视
点看过去是可见的, 而从光源看过去是不可
见的面, 肯定落在阴影之内 。
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10.5 模拟景物表面细节
? 颜色纹理,通过颜色色彩或明暗度的变化体现
出来的表面细节 。
? 几何纹理,由于不规则的细小凹凸造成的 。
? 颜色纹理取决于物体表面的光学属性, 而几何
纹理由物体表面的微观几何形状决定 。
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10.5.1 用多边形模拟表面细节
简单地模拟景物表面细节的方法是用多边
形, 称为表面图案多边形, 来模拟纹理的
结构和模式 。
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24
10.5.2 纹理的定义和映射
图 1 0 -1 6 纹理映射中纹理空间、物体空间和象素空间的变换
纹理空间
(s,t)数 组坐标
物体空间
(u,v)表 面参数
象素空间
(x,y)象 素坐标
纹理和表面变换 观察和投影变换
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象素区
物体表面
纹理模式
图10-17 由 象素空间向纹理空间的映射
观察投影变换的逆变换
纹理映射变换的逆变换
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10.5.3 凹凸映射
1978年, Blinn提出了一种无需修改表面几何模
型, 即能模拟表面凹凸不平效果的有效方法 —
— 凹凸映射技术 (Bump Mapping)。
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10.6 整体光照模型与光线跟踪
10.6.1 整体光照模型
能同时模拟光源和环境照明效果的光照模型称
为整体光照模型 。 整体光照模型的典型代表是
Whitted模型及辐射度模型 。
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28
10.6.2 Whitted光照模型
Whitted光照模型,
图 1 0 -2 0 物体表面的镜面反射和透射
视点
N
R
V
T
ttssl o c a l IKIKII ???
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29
10.6.2 光线跟踪算法 x
y
z
图10 -2 1 光 线跟踪算法
投影平面
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R A
T A
T B
A
B
C
T C
R B
R C
图10 -2 2 光 线跟踪及光线跟踪树
( a ) 光线在景物中反射和折射 ( b ) 二叉光线跟踪树
A
B
C
R A
T A
R B T B
T CR C
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10.6.3 光线跟踪反走样
将光线跟踪算法与过采样方式结合起来, 可归纳如下,
1,对每一象素的角点计算光线跟踪的光强 。
2,比较象素四个角点的光强, 确定要进行细分的象素 。
3,对细分后新增的角点计算光线跟踪的光强 。 然后,
重复 2.和 3.,直到各角点的光强比较接近为止 。
4,加权平均求出投影平面上各象素点的光强 。
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习题
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第 10章 真实感图形绘制
提出问题
? 真实感图形绘制,
通过综合利用数学, 物理学, 计算机以及心理学
等知识在计算机图形输出设备上绘制出能够以假
乱真的美丽景象 。
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2
第 10章 真实感图形绘制
用计算机生成三维场景的真实图形, 需完成步骤,
(1)在计算机中进行场景造型；
(2)进行取景变换和透视变换；
(3)进行消隐处理；
(4)进行真实感图形绘制
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3
真实感图形绘制
? 即根据假定的光照条件和景物外观因素, 依据
一定的光照模型, 计算可见面投射到观察者眼
中的光强度大小, 并将它转换成适合图形设备
的颜色值, 生成投影画面上每一个象素的光强
度, 使观察者产生身临其境的感觉 。
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4
基本概念,
? 光强 （ 度 ）,描述物体表面朝某方向辐射光的
颜色, 它既能表示光能大小又能表示其色彩组
成的物理量 。
? 光照模型 （ Illumination model）, 也称明暗模型,
主要用于物体表面某点处的光强度计算 。
? 简单的光照模型
? 复杂的光照明模型
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10.1 简单光照模型
? 简单光照模型中只考虑反射光的作用
? 反射光由环境光, 漫反射光和镜面反射
光三部分组成
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6
10.1.1 环境光
P点对环境光的反射强度为
aae KII ?
图 10-1 环境光的反射
P
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7
10.1.2 漫反射光
图 1 0 -2 点光源发射的光线路径
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8
由 Lambert余弦定理可得点 P处漫反射光的强度为,
图 10-3 漫反射
P
点光源 N
L
?
]
2
,0[,c o s ??? ?? dpd KII
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9
若 L和 N都已规格化为单位矢量, 则,
)( NLKII dpd ??
图 10-3 漫反射
P
点光源 N
L
?
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10
彩色,
),,( pBpGpRp IIII ?
)(
)(
)(
NLKII
NLKII
NLKII
dBpBdB
dGpGdG
dRpRdR
??
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n
i
idipd NLKII
1
,)(
有多个点光源,
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10.1.3 镜面反射光
镜面反射情况由 Phong模型给出,
图 1 0 -4 镜面反射
P
点光源
N
L
R
V
观察点
? ?
?
c o s ?nsps KII ?
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12
若 R和 V已规格化为单位矢量, 则,
从视点观察到物体上任一点 P处的光强度 I应为环境光
反射光强度 Ie,漫反射光强度 Id以及镜面反射光的光强
度 Is的总和,
n
sps VRKII )( ??
n
spdpaa
sde
VRKINLKIKI
IIII
)()( ?????
???
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10.1.4 光强衰减
一个常用的二次衰减函数可以表示为,
)
1
,1m i n ()( 2
210 dcdcc
df
??
?
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14
10.1.5 颜色
为产生彩色的场景, 要完成如下两步,
一是选择一个合适的颜色模型；
二是为颜色的三个分量分别建立光照模型 。
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15
10.2 基于简单光照模型的多边形绘制
10.2.1 恒定光强的多边形绘制
只用一种颜色绘制整个多边形,任取多边形上
一点, 利用简单光照模型计算出它的颜色, 该
颜色即是多边形的颜色 。
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16
10.2.2 Gouraud明暗处理
Gouraud明暗处理方法, 又称为亮度插值明暗处理, 它通
过对多边形顶点颜色进行线性插值来绘制其内部各点 。
用 Gouraud明暗处理来进行多边形绘制时需进行三个步骤：
1,计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量
2,对每个顶点根据简单光照模型来计算其光强 。
3,在多边形表面上将顶点强度进行线性插值 。
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10.2.3 Phong明暗处理
Phong明暗处理方法由 PhongBuiTuong提出, 又称为法矢
量插值明暗处理, 它对多边形顶点的法矢量进行插值
以产生中间各点的法矢量 。
Phong明暗处理的基本步骤是,
1,计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量 。
2,用双线性插值方法求得多边形内部各点的法矢量 。
3,最后按光照模型确定多边形内部各点的光强 。
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10.3 透明处理
图 1 0 -1 3 透明表面的光强包括反射光和折射光
入射光
反射光
折射光
透明景物
入射光
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19
图 10 -14 简单透明的处理
xz P
不透明景物
透明景物
B
A
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20
图 1 0 -1 5 光的折射
入射光
N
L
R
反射光
i
?
r
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r
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i
?
i
?
T
折射光
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21
10.4 产生阴影
从理论上来说, 从视点以及从光源看过去都
是可见的面不会落在阴影中, 只有那些从视
点看过去是可见的, 而从光源看过去是不可
见的面, 肯定落在阴影之内 。
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10.5 模拟景物表面细节
? 颜色纹理,通过颜色色彩或明暗度的变化体现
出来的表面细节 。
? 几何纹理,由于不规则的细小凹凸造成的 。
? 颜色纹理取决于物体表面的光学属性, 而几何
纹理由物体表面的微观几何形状决定 。
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23
10.5.1 用多边形模拟表面细节
简单地模拟景物表面细节的方法是用多边
形, 称为表面图案多边形, 来模拟纹理的
结构和模式 。
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10.5.2 纹理的定义和映射
图 1 0 -1 6 纹理映射中纹理空间、物体空间和象素空间的变换
纹理空间
(s,t)数 组坐标
物体空间
(u,v)表 面参数
象素空间
(x,y)象 素坐标
纹理和表面变换 观察和投影变换
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象素区
物体表面
纹理模式
图10-17 由 象素空间向纹理空间的映射
观察投影变换的逆变换
纹理映射变换的逆变换
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10.5.3 凹凸映射
1978年, Blinn提出了一种无需修改表面几何模
型, 即能模拟表面凹凸不平效果的有效方法 —
— 凹凸映射技术 (Bump Mapping)。
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10.6 整体光照模型与光线跟踪
10.6.1 整体光照模型
能同时模拟光源和环境照明效果的光照模型称
为整体光照模型 。 整体光照模型的典型代表是
Whitted模型及辐射度模型 。
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10.6.2 Whitted光照模型
Whitted光照模型,
图 1 0 -2 0 物体表面的镜面反射和透射
视点
N
R
V
T
ttssl o c a l IKIKII ???
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10.6.2 光线跟踪算法 x
y
z
图10 -2 1 光 线跟踪算法
投影平面
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30
R A
T A
T B
A
B
C
T C
R B
R C
图10 -2 2 光 线跟踪及光线跟踪树
( a ) 光线在景物中反射和折射 ( b ) 二叉光线跟踪树
A
B
C
R A
T A
R B T B
T CR C
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10.6.3 光线跟踪反走样
将光线跟踪算法与过采样方式结合起来, 可归纳如下,
1,对每一象素的角点计算光线跟踪的光强 。
2,比较象素四个角点的光强, 确定要进行细分的象素 。
3,对细分后新增的角点计算光线跟踪的光强 。 然后,
重复 2.和 3.,直到各角点的光强比较接近为止 。
4,加权平均求出投影平面上各象素点的光强 。
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习题
