最新研究生计算机图形学-第8章教学讲义PPT课件.ppt

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1、研究生计算机图形学-第8章8.1概述真实感图形是综合利用数学、物理学、计算机科学以及其他科学技术在计算机图形设备上生成的、像彩色照片那样逼真的图形。近些年来，随着多色彩、高分辨率光栅图形设备的普及，真实感图形绘制技术在各领域中得到了广泛的应用，并日益受到人们的重视。随着各种新的光照明模型的问世，特别是以光线跟踪和辐射度方法为代表的全局光照明模型的问世，真实感图形生成技术被注入了新的活力，其发展速度极快。用计算机绘制或显示真实感图形具有很高的实用价值。例如，建筑设计师们在进行建筑设计时，可以不必制作

2、精致的模型，而是将他们的构思通过在计算机上绘制真实感图形表达出来，如不满意可随时进行修改。再如在各种工业产品的设计中，也无须制作实物模型来检查设计的效果。特别是对那些外形美感要求较高的产品，反复制作模型，将耗费大量的人力物力。采用计算机绘制真实感图形，可方便地在屏幕上显示产品各个角度的图像，并在屏幕上直接对外形进行交互式修改，在达到最佳设计效果的同时，还可以大大缩短设计周期。除此之外，真实感图形绘制技术在战斗模拟、飞行训练、医学、分子结构研究、计算机动画及影视广告等领域都具有广阔的应用前景。8.2

3、简单实用的光照明模型计算机屏幕上的景物可见点的颜色取决于像素的颜色。因此，需要建立一个可以计算物体表面在空间给定方向上光亮度的光照明模型。当光照射到一个物体表面上时，会出现以下三种情形：(1)光照射到物体表面后向空间反射，产生反射光；(2)如果是透明体，光则穿透该物体从另一端射出，产生透射光；(3)部分光将会被物体表面吸收而转换成热。在这三部分光中，仅反射光和透射光能使人们产生视觉效果。也就是说，物体表面所呈现的颜色取决于物体表面的反射光和透射光。更具体的说，反射光和透射光的强弱决定了物体表

4、面的明暗程度。光中所含不同波长光的比例决定了物体表面的色彩；而反射光和透射光的强弱及光谱组成，又决定于入射光和物体表面对入射光中不同波长光的吸收程度。因此，只有从光照的角度讨论物体的颜色才有实际意义。通常，我们所说的物体的颜色均假定白光为照射光。要精确地计算物体表面的反射光和透射光，需要知道入射光在每一波长中的强弱以及物体表面在每一波长上对光的吸收率，即需要了解入射光的光谱分布以及物体表面的反射光和透射光光谱。根据这些光谱可以计算出反射光和透射光的光谱分布，从而得到反射光和透射光的颜色。我们可以

5、根据环境中不同的照明光源和不同材料的物体表面正确计算物体表面反射光和透射光的颜色。但在计算机中进行光谱计算及光谱颜色的转换时，将会耗费大量的计算时间和存储空间，因此，在一般情况下，我们采用较为简单的处理方法。因为在许多应用场合下，人们所关心的并不是照明光源的颜色和物体表面的材料，所以，可以在简单光照明模型中仅考虑被照明物体对反射和透射光的影响。这意味着在简单光照明模型中，环境可以假定为白光照明，并且，反射光和透射光的颜色由用户选定。这样简化后，给光照明模型的建立和应用都带来了方便。对于简单光照明

6、模型，我们假设物体不透明，则物体表面呈现的颜色仅由其反射光决定。在一般情况下，人们将反射光看成是三个分量的组合，这三个分量为环境反射分量、漫反射分量和镜面反射分量。我们假定环境反射分量是入射光均匀地从周围环境入射到物体的表面，并等量地向各个方向反射；而漫反射分量和镜面反射分量则表示特定光源照射在物体表面上所产生的反射光。漫反射分量表示特定光源在物体表面的反射光中的那些向空间各方向均匀反射出去的光。我们可以使用郎伯余弦定律计算这种反射光。对于一个漫反射体，表面的反射光亮度和光源入射角的余弦成正比，

7、即I=Idcosα(8-1)其中：I为物体表面反射光的光亮度；Id为光源垂直入射时反射光的光亮度；α为光源的入射角，如图8.2.1所示。由式(8-1)可知，观察一个漫反射体时，人眼接收到的光亮度与观察者的位置无关。这种反射称为漫反射。图8.2.1表示将式(8-1)用于球面的情形。因为点A的光线入射角为0°，所以发出的光亮度最大，其值为Id，而点B和B′的光亮度就比点A处弱。因为点C和C′的光线入射角为90°，故发出的光亮度为零。图8.2.1用于球面的简单漫反射模型由式(8-1)可知，观察一

8、个漫反射体时，人眼接收到的光亮度与观察者的位置无关。这种反射称为漫反射。图8.2.1表示将式(8-1)用于球面的情形。因为点A的光线入射角为0°，所以发出的光亮度最大，其值为Id，而点B和B′的光亮度就比点A处弱。因为点C和C′的光线入射角为90°，故发出的光亮度为零。根据式(8-1)，应将球面点C和C′处处理成黑色，实际上，这与在现实场景的观察不符。因为物体的表面除受特定光源照射之外，还受到从周围环境射来的反射光的照射。如来自天空、地面、墙壁等的反射光，这些反射光的照明效果，可