1、真实感图形绘制Realistic Rendering1计算机生成真实感图形的基本任务 建模（场景造型，包括贴图）图形变换 可见面判断 渲染-根据光照模型，计算场景中的颜色，达到视觉上的最佳效果2真实感图形的生成 产生真实感图形与很多问题有关:物体类型、物体表面的光学特性。场景中物体表面的相对位置。各种形状不同、颜色不同和位置不同的光源。观察平面的位置和方向。计算机图形学真实感取决于2个主要因素:物体表面的精确表示.场景中光照效果的物理描述.3颜色模型4RGB Color Cube5CMY Color Cube6RGB and CMY C M Y=1 1 1-R G B R G B=1 1 1-
2、C M Y7HSV模型 Hue(0-360)Saturation(0-1)Value(0-1)8YIQ Color Model|Y|0.299 0.587 0.114|R|I|=|0.596-0.275-0.321|.|G|Q|0.212-0.528 0.311|B|R|1.000 0.956 0.620|Y|G|=|1.000-0.272-0.647|.|I|B|1.000-1.108 1.705|Q|9OpenGL颜色模型10光照明模型Illumination Model 1).也称光照模型 Lighting Model或明暗模型 Shading Model2).光照明模型用于计算物体表面
3、给定点光的强度3).计算机图形学的光照明模型由描述物体表面光强度的物理定律推出.4)为了减少光强度的计算，光照模型通常采用简化的经验模型.12光照明模型Illumination Model 简单的光照明模型所有光源都被认为是点光源.只考虑了光源照射在物体表面的反射光的影响假定物体表面是光滑的理想的材料构成 复杂的光照明模型(整体光照模型)考虑发射光周围环境的光对物体表面的影响物体的透明度阴影的处理光源的位置和个数13光照明模型的基础知识 当光照射在物体表面，会出现3种情形：反射光 透射光 吸收转为热能（当光线照射到不透明的物体，部分光被反射，部分光被吸收；当光线照射到透明的物体，部分光被反射，
4、部分光继续被传送，形成透射）物体表面的反射光和透射光决定了物体呈现的颜色 反射光通常被看作是环境反射光、漫反射和镜面反射光组成1415表面光照效果由光源和其他表面反射光混合生成光照明模型的基础知识 光源light source任一发出辐射能量的对象，对场景中其它对象的光照效果有贡献。一个光源可定义许多特性 位置/发射光颜色/发射光方向/形状 发光物体都可成为光源。反射光表面可成为反射光源。16光源的类型 type of light source 点光源 point light source 光线从一个点向四周辐射发散 对场景中比对象小得多的光源的合理逼近 离场景不是太近的大光源也可用点光源来模
5、拟 平行光源(方向光源)paralleled light source也称无穷远光源离场景非常远的大型光源（如太阳）在光照计算中，仅需要发射方向的向量及光源颜色而不需要光源位置 聚光源圆锥光束光源除了位置、颜色还要确定一个向量方向如果一个对象位于光源方向范围之外，则得不到该光源的光照17光源的类型 type of light source18光照明模型的基础知识 反射定律:入射角等于反射角,而且反射光线、入射光线与法向量在同一平面上。19光照明模型的基础知识 折射定律:折射角与入射角满足1/2=sin/sin,且折射线在入射线与法线构成的平面上。n1和n2分别是两个介质的折射率20表面光照效果
6、 环境光Ambient Light物体表面反射环境光的结果 漫反射 diffuse reflection粗糙或颗粒状表面向各方向反射光 镜面反射 specular reflection光滑表面会集中一个方向反射光，形成一个亮点21环境光 Ambient light 环境光反射光的强度 Ie=IaKa 参数Ia 表示环境光的强度 环境光对物体的反射光与观察方向无关，与物体表面的空间方向无关.Ka为物体对环境光的反射系数，0=Ka=1 高反射物体表面的反射系数接近于1 低反射物体表面的反射系数近似于022漫反射和镜面反射23漫反射 diffuse reflection 理想漫反射体从物体表面各个方
7、向等强度反射光线，与观察方向无关（与视点位置无关）Lamberts cosine Law 表面漫反射光强度Id=Ip kd cos Ip 入射光的强度（点光源）kd 入射光的漫反射系数(0 kd 1),由物体表面的材料性质以及入射光的波长所决定。入射光与表面上点的法向量N之间的夹角24漫反射 diffuse reflection25特点：光源来至一个方向，反射光均匀地射向各个方向物体表面亮度与光线入射角的关系=0，亮度最大；=90，表面最暗 090，光线照不到表面26漫反射 diffuse reflection 下图表示漫反射系数Kd介于0和1之间时，用上述漫反射方程，球面在单个点光源照明下的
8、漫反射效果。27镜面反射 specular reflection 在光滑表面上的某个观察方向可以看到高光highlight或亮点bright spot 镜面反射是由于在镜面反射角附近的集中区域内入射光全部或大部分成为反射光28镜面反射 specular reflection29N 表面法向方向矢量L 点光源入射光方向R 理想镜面反射的 单位方向矢量S 物体表面到观察者方向 的单位矢量镜面反射 specular reflection 理想反射(完美镜子),入射光仅在镜面反射方向发生反射，即为=0.非理想反射物体的镜面反射方向分布在适量R周围有限的范围内.较光滑表面的镜面反射范围较小；粗糙表面则有
9、较大的镜面反射范围.30镜面反射 specular reflection31镜面反射specularreflection 根据Phone模型提出的公式，镜面反射光的强度取决于物体表面的属性和入射光的角度 Is=IpKsCosn 镜面反射光的强度 Ip入射光的强度：视线与镜面反射线的角度，0=90o,0=Cos=100,粗糙面n=1,完美镜面n=.33镜面反射系数Ks 物体表面的反射率，也称镜面反射系数，它是入射角和波长的函数，也与入射角有关，入射角越大，反射角也越大，反射率会随之增大。Ks=W()对于许多不透明的表面，Ks 对各种入射角来说近乎于常数，0=Ks=134不同材质的镜面反射效果对不
10、同的镜面参数值计算单个点光源场景中球面的镜面反射效果36组合环境光和漫反射 图为Ka与Kd值介于0.001到1.0之间的球面在环境光与一个点光源照射下产生的漫反射37Phong光照明模型nspdpaasdeKIKIKIIIIIcoscosniinsipniidipaasdeKIKIKIIIII1),(1),(coscos将上述三种反射光的强度迭加在一起，则38上式所进行的光强计算只是假定只有一个点光源的，若场景中有多个点光源，则可以在任一点光源处迭加各个光源所产生的光源效果，这就是Phong光照明模型Phong光照明模型 如果将光源分解成红、绿、蓝三种基色sBsGsRsdBdGdRdaBaGa
11、RasBsGsRsdBdGdRdaBaGaRaKKKKKKKKKKKKIIIIIIIIIIII39Phong光照明模型niinsBipBniidBipBaBaBBniinsGipGniidGipGaGaGGniinsRipRniidRipRaRaRRKIKIKIIKIKIKIIKIKIKII1),(1),(1),(1),(1),(1),(coscoscoscoscoscos40辐射强度的衰减attenuation 辐射光线从一点光源出发在空间进行传播的时候，它的强度会随着距离的增大而减小的距离点光源到物体表面某点系数d,1)(2cbacdbdadf41辐射强度的衰减attenuation 对于
12、无穷远光源，光强与距离无关，要同时考虑远距离和局部光源，可将光强衰减函数表达成的距离点光源到物体表面某点系数如果光源是局部点光源如果光源在无穷远处d,1 1)(2cbacdbdadf42考虑光强衰减的Phong光照明模型niinsipiniidipiaaKIdfKIdfKII1),(1),(cos)(cos)(过的距离出发到某一观察点所经表示从点光源其中，idi 4344图 n取不同值时的Phong光照明模型示例 45小结 简单光照模型 环境光Ie=IaKa 镜面反射光Is=IpKsCosn 漫反射光Id=kdIpcos Phong光照模型niinsipiniidipiaaKIdfKIdfKII1),(1),(cos)(cos)(46
