【正文】 實感圖形學(xué)早期發(fā)展 ? 1967年， Wylie等人第一次在顯示物體時加進(jìn)光照效果，認(rèn)為光強(qiáng)與距離成反比。 ? 1970年， Bouknight提出第一個光反射模型： Lambert漫反射＋環(huán)境光 ? 1971年， Gouraud提出漫反射模型加插值的思想 ? 1975年， Phong提出圖形學(xué)中第一個有影響的光照明模型 2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 7 相關(guān)物理知識 ? 光的傳播 ? 反射定律：入射角等于反射角，而且反射光線、入射光線與法向量在同一平面上 光源 法向量 入射光 反射光 視線 2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 8 折射定律 ? 折射定律：折射線在入射線與法線構(gòu)成的平面上，折射角與入射角滿足 入射光折射光??2?1?12s ins in?????2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 9 能量關(guān)系 ? 在光的反射和折射現(xiàn)象中的能量分布： ? 下標(biāo)為 i,d,s,t,v的能量項分別表示 為入射光強(qiáng)，漫反射光強(qiáng)，鏡面反射光強(qiáng)，透射光強(qiáng)，吸收光強(qiáng) ? 能量是守恒的 i d s t vI I I I I? ? ? ?2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 10 簡單光照明模型 模擬物體表面的光照明物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型－光照明模型 簡單光照明模型 亦稱局部光照明模型，其假定物體是不透明的，只考慮光源的直接照射，而將光在物體之間的傳播效果籠統(tǒng)地模擬為環(huán)境光。 ? 光照明方程（僅含環(huán)境光）： Ie = KaIa Ie為物體表面所呈現(xiàn)的亮度。 2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 15 簡單光照明模型 ? 考慮引入點(diǎn)光源。記其亮度為 Ip ? 點(diǎn)光源的照射： 在物體的不同部分其亮度也不同，亮度的大小依賴于物體的朝向及它與點(diǎn)光源之間的距離 . 2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 16 簡單光照明模型： 漫反射 角度余弦的推導(dǎo) ? 漫反射 ? 粗糙、無光澤物體（如粉筆）表面對光的反射 ? 光照明方程 ? 漫反射的亮度 ? 點(diǎn)光源的亮度 ? 漫反射系數(shù) ? 入射角 漫反射光的強(qiáng)度 只與入射角有關(guān) ]2,0[c o s ??? ?? dpd KIIpIdK?dI2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 17 簡單光照明模型 漫反射 ? 將環(huán)境光與漫反射結(jié)合起來 一般取 Ia = (~)Id ? 例子 )( NLKIKIIII dpaade ?????2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 18 簡單光照明模型 漫反射 缺點(diǎn)：對于許多物體，使用上式計算其反射光是可行的，但對于大多數(shù)的物體，如擦亮的金屬、光滑的塑料等是不適用的，原因是這些物體還會產(chǎn)生鏡面發(fā)射。 2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 21 簡單光照明模型 鏡面反射 ? 非理想鏡面反射 ? P為物體表面上一點(diǎn)， L為從 P指向光源的單位矢量， N為單位法矢量， R為反射單位矢量， V為從 P指向視點(diǎn)的單位矢量 光滑平面 I = Ip K scosna 鏡面 2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 22 簡單光照明模型 鏡面反射 ? 鏡面反射 ? Is為 鏡面反射光強(qiáng)。 n為 鏡面反射指數(shù)， n越大，則 Is隨 a的增大衰減的越快。 ? n越大，表面越平滑（散射現(xiàn)象少，稍一偏離，明暗亮度急劇下降） ? n越小，表面越毛糙（散射現(xiàn)象嚴(yán)重） ansps KII co s? nsps RVKII )( ??或 pI2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 23 簡單光照明模型 鏡面反射 ? 反射方向計算 ? L在 N上的投影矢量為 Ncosu，則 S+L= Ncosu 記矢量 S= Ncosu L 則有 R= Ncosu +S ? ? LLNNLNR ????? 2co s2 ?NRL V??S S2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 24 簡單光照明模型 Phong光照明模型 ? 簡單光照明模型模擬物體表面對光的反射作用 ,光源為點(diǎn)光源 ? 反射作用分為 ? 物體間作用用環(huán)境光 (Ambient Light) ? 漫反射 (Diffuse Reflection) ? 鏡面反射 (Specular Reflection) 2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 25 簡單光照明模型 Phong光照明模型 ? Phong光照明模型的綜合表述：由物體表面上一點(diǎn) P反射到視點(diǎn)的光強(qiáng) I為環(huán)境光的反射光強(qiáng) Ie、理想漫反射光強(qiáng) Id、和鏡面反射光 Is的總和。為了減少計算量，假設(shè)： ? 光源在無窮遠(yuǎn)處， L為常向量 ? 視點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處， V為常向量 ? （ H?N）近似（ R?V）， H為 L與 V的平分向量 N H L R a V b HL和 V的角平分線 ? 對所有的點(diǎn)總共只需計算一次 H的值，節(jié)省了計算時間 2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 27 簡單光照明模型 Phong光照明模型 ? Phong模型幾何 PL N HRV2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 28 簡單光照明模型 光的衰減 ? 光的衰減 兩個階段： 1）從光源到物體表面的過程中的衰減 2）從物體表面到人眼過程中的衰減 總的效果：物體表面的亮度降低 ? 光照明方程 1）有效衰減函數(shù)的加入 2）深度暗示技術(shù)的加入 2021/6/15 浙江大學(xué)計算機(jī)圖形學(xué) 29 簡單光照明模型 光的衰減 ? 光的衰減 ? 光在光源到物體表面過程中的衰減 ? 光強(qiáng)按 1/d2 進(jìn)行衰減： 缺點(diǎn)：當(dāng) d很大時，變化很?。划?dāng) d很小時，變化很大。經(jīng)過改進(jìn)，這種技術(shù)同樣適用于真實感圖形顯示。給定物體上一點(diǎn)的深度值 Z0，該點(diǎn)對 應(yīng)的比例因子 S0按如下 方式確定 前參考面 后參考面