可见面判断算法.ppt
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1、真实感图形生成光照模型(1/6)lIllumination Modell l根据光学物理的有关定律根据光学物理的有关定律根据光学物理的有关定律根据光学物理的有关定律l l计计计计算算算算景景景景物物物物表表表表面面面面上上上上任任任任意意意意一一一一点点点点投投投投向向向向观观观观察察察察者者者者眼眼眼眼中中中中的的的的l l光亮度的大小和色彩组成的公式光亮度的大小和色彩组成的公式光亮度的大小和色彩组成的公式光亮度的大小和色彩组成的公式 l隐面消除算法隐面消除算法l光照模型计算亮度和色彩光照模型计算亮度和色彩光照模型(2/6)l来自光源和周围环境的入射光来自光源和周围环境的入射光 照在物体表面
2、上时,可能被照在物体表面上时,可能被l l吸收吸收吸收吸收吸收的入射光能转化为热能吸收的入射光能转化为热能吸收的入射光能转化为热能吸收的入射光能转化为热能l l反射反射反射反射l l透射透射透射透射不仅取决于景物表面的不仅取决于景物表面的表面特性表面特性还取决于入射光能的光源的还取决于入射光能的光源的照明特性照明特性光照模型(3/6)l表面特性表面特性l l景物表面的景物表面的景物表面的景物表面的材料材料材料材料n n反射系数反射系数反射系数反射系数决定入射光中有多少光线被反射决定入射光中有多少光线被反射决定入射光中有多少光线被反射决定入射光中有多少光线被反射n n透明性透明性透明性透明性决定
3、有多少光线从物体后面透射过来决定有多少光线从物体后面透射过来决定有多少光线从物体后面透射过来决定有多少光线从物体后面透射过来n n反反反反射射射射光光光光和和和和透透透透射射射射光光光光的的的的光光光光谱谱谱谱分分分分布布布布决决决决定定定定了了了了景景景景物物物物表表表表面面面面呈呈呈呈现的颜色现的颜色现的颜色现的颜色n n反反反反射射射射光光光光和和和和透透透透射射射射光光光光的的的的强强强强弱弱弱弱决决决决定定定定了了了了景景景景物物物物表表表表面面面面的的的的明明明明暗暗暗暗程度程度程度程度l l景物表面的景物表面的景物表面的景物表面的朝向朝向朝向朝向l l景物表面景物表面景物表面景物
4、表面与光源的相对位置与光源的相对位置与光源的相对位置与光源的相对位置光照模型(4/6)l照明特性照明特性照明特性照明特性l l光源的性质光源的性质光源的性质光源的性质l l几何性质:点光源、线光源、面光源、体光源几何性质:点光源、线光源、面光源、体光源几何性质:点光源、线光源、面光源、体光源几何性质:点光源、线光源、面光源、体光源l l色彩(光谱分布)色彩(光谱分布)色彩(光谱分布)色彩(光谱分布)l l强度强度强度强度l l方向方向方向方向l l点光源点光源点光源点光源l l向周围辐射等强度的光向周围辐射等强度的光向周围辐射等强度的光向周围辐射等强度的光光照模型(5/6)l局部光照模型局部光
5、照模型l l只考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果只考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果只考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果只考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果l l景物表面通常被假定为不透明,均匀反射率景物表面通常被假定为不透明,均匀反射率景物表面通常被假定为不透明,均匀反射率景物表面通常被假定为不透明,均匀反射率l整体光照模型整体光照模型l l考虑周围环境对景物表面的影响考虑周围环境对景物表面的影响考虑周围环境对景物表面的影响考虑周围环境对景物表面的影响l l不仅能模拟不仅能模拟不仅能模拟不仅能模拟n n连续的明暗色调、镜面高光、阴影连续的明暗色调、镜面高光、阴
6、影连续的明暗色调、镜面高光、阴影连续的明暗色调、镜面高光、阴影l l还能模拟还能模拟还能模拟还能模拟l l镜镜镜镜面面面面映映映映像像像像、光光光光的的的的折折折折射射射射、相相相相邻邻邻邻景景景景物物物物表表表表面面面面之之之之间间间间的的的的色色色色彩彩彩彩辉辉辉辉映映映映等等等等较较较较为为为为复复复复杂精致的效果杂精致的效果杂精致的效果杂精致的效果光照模型(6/6)l基本光照模型l l环境光模型环境光模型环境光模型环境光模型l lLambertLambert漫反射模型漫反射模型漫反射模型漫反射模型 l l镜面反射和镜面反射和镜面反射和镜面反射和PhongPhong模型模型模型模型 环境
7、光模型(1/4)ambient light也称背景光也称背景光,或泛光泛光n n从周围环境的各个方向投射来的光从周围环境的各个方向投射来的光从周围环境的各个方向投射来的光从周围环境的各个方向投射来的光n n没有空间或方向上的特征没有空间或方向上的特征没有空间或方向上的特征没有空间或方向上的特征n n均匀地照射在物体的各个不同的表面上均匀地照射在物体的各个不同的表面上均匀地照射在物体的各个不同的表面上均匀地照射在物体的各个不同的表面上n n等量地向各个方向反射等量地向各个方向反射等量地向各个方向反射等量地向各个方向反射分布光源分布光源精确模拟很耗时精确模拟很耗时环境光模型(2/4)近似模拟的环境
8、光模型近似模拟的环境光模型环境光模型(3/4)特点特点n n物体表面对环境光反射的强度物体表面对环境光反射的强度物体表面对环境光反射的强度物体表面对环境光反射的强度n n与与与与无关无关无关无关n n入射光的入射光的入射光的入射光的入射方向入射方向入射方向入射方向n n观察者的观察者的观察者的观察者的观察方向观察方向观察方向观察方向n n物体物体物体物体表面的朝向表面的朝向表面的朝向表面的朝向n n仅与仅与仅与仅与有关有关有关有关n n环境光强度环境光强度环境光强度环境光强度n n物体表面对环境光的物体表面对环境光的物体表面对环境光的物体表面对环境光的反射系数反射系数反射系数反射系数(材质属性
9、)(材质属性)(材质属性)(材质属性)环境光模型(4/4)缺点缺点n n物体各个面具有同样的亮度物体各个面具有同样的亮度物体各个面具有同样的亮度物体各个面具有同样的亮度n n只能为景物表面产生一个平淡的明暗效果只能为景物表面产生一个平淡的明暗效果只能为景物表面产生一个平淡的明暗效果只能为景物表面产生一个平淡的明暗效果n n观察者很难辨别景物各个面的层次观察者很难辨别景物各个面的层次观察者很难辨别景物各个面的层次观察者很难辨别景物各个面的层次n n不真实,不实用不真实,不实用不真实,不实用不真实,不实用n n绘制三维场景时很少仅考虑环境光的作用绘制三维场景时很少仅考虑环境光的作用绘制三维场景时很
10、少仅考虑环境光的作用绘制三维场景时很少仅考虑环境光的作用n n通常至少要用一个点光源来照射物体通常至少要用一个点光源来照射物体通常至少要用一个点光源来照射物体通常至少要用一个点光源来照射物体n n在调试阶段可节省不必要的明暗度计算在调试阶段可节省不必要的明暗度计算在调试阶段可节省不必要的明暗度计算在调试阶段可节省不必要的明暗度计算n n调试变换、投影、求交、消隐程序调试变换、投影、求交、消隐程序调试变换、投影、求交、消隐程序调试变换、投影、求交、消隐程序漫反射模型(1/3)diffuse reflectionn n可看成光穿过物体表面层被部分可看成光穿过物体表面层被部分可看成光穿过物体表面层被
11、部分可看成光穿过物体表面层被部分吸收后重新发射吸收后重新发射吸收后重新发射吸收后重新发射出来的光出来的光出来的光出来的光n n自然界中的绝大多数景物为自然界中的绝大多数景物为理想漫反射体理想漫反射体n n粗糙、无光泽表面,如纸张、石灰粉刷的白墙等粗糙、无光泽表面,如纸张、石灰粉刷的白墙等粗糙、无光泽表面,如纸张、石灰粉刷的白墙等粗糙、无光泽表面,如纸张、石灰粉刷的白墙等漫反射模型(2/3)LambertLambert余弦定律余弦定律余弦定律余弦定律n n理想漫反射体理想漫反射体理想漫反射体理想漫反射体n n在点光源照射下的光的反射规律在点光源照射下的光的反射规律在点光源照射下的光的反射规律在点
12、光源照射下的光的反射规律n n漫反射光强度漫反射光强度漫反射光强度漫反射光强度n n同入射光与物体表面法向之间夹同入射光与物体表面法向之间夹同入射光与物体表面法向之间夹同入射光与物体表面法向之间夹角的余弦成正比角的余弦成正比角的余弦成正比角的余弦成正比 景物表面在被照射点处的漫反射光的光强景物表面在被照射点处的漫反射光的光强漫反射模型(3/3)特点:l对光线沿各个方向作同等光强的散射l各点反射光的强度只与有关l点光源强度、入射角l物体表面的反射系数l物体各面的朝向l而与无关l观察者的观察位置镜面反射模型(1/9)Specular Reflectionn n是物体外表面对入射光的直接反射直接反射
13、非漫反射体n n有光泽的表面,如光滑的塑料、擦亮的金属等高光高光区域n nhigh lightn n物体表面越光滑,高光区越小,越亮理想的反射体(纯镜面)理想的反射体(纯镜面)n n入射光严格遵循光的反射定律单向地反射出去入射光严格遵循光的反射定律单向地反射出去一般光滑表面一般光滑表面n n在微观上物体表面面元是由许多朝向不同的微小平面组成在微观上物体表面面元是由许多朝向不同的微小平面组成n n其镜面反射光分布于物面镜面反射方向的周围其镜面反射光分布于物面镜面反射方向的周围 理想镜面反射LNPRVLNPR粗糙表面的镜面反射一般光滑表面镜面反射LNPR镜面反射模型(2/9)镜面反射模型(3/9)
14、镜面反射光特点n n空间分布具有一定方向性空间分布具有一定方向性空间分布具有一定方向性空间分布具有一定方向性n n光强不仅取决于入射光和表面材料,还光强不仅取决于入射光和表面材料,还与观察方向与观察方向与观察方向与观察方向有关有关有关有关n n具有与入射光相同的性质具有与入射光相同的性质具有与入射光相同的性质具有与入射光相同的性质LNPR镜面反射镜面反射模型(4/9)1973年,Phong Bui Tuong(博士论文)提出Phong镜面反射模型n n简称Phong模型n n计算镜面反射光光强的经验公式镜面反射模型(5/9)PhongPhong模型模型采用余弦函数的幂次模拟一般光滑表面的镜面反
15、采用余弦函数的幂次模拟一般光滑表面的镜面反射光光强的空间分布射光光强的空间分布镜面反射模型(6/9)镜面高光指数镜面高光指数用于模拟镜面反射光在空间的会聚程度由物体表面材质的光滑程度决定镜面反射模型(7/9)镜面高光指数镜面高光指数较光滑的物体表面(如金属、玻璃等)光强的空间分布较集中,高光范围较小宜取较大的值(大于100或更大)粗糙的物体表面(如纸张、木材、粉笔等)光强的空间分布较分散,高光范围较大宜取较小的值(小于或接近于1)镜面反射模型(8/9)PhongPhong光照明模型光照明模型光照明模型光照明模型为计算方便,镜面高光分量可改写成为计算方便,镜面高光分量可改写成 漫反射分量漫反射分
16、量 泛光泛光镜面高光分量镜面高光分量 Li NRiViiiPHi真实感图形学中提出的第一个有影响的光照明模型存在问题存在问题n n显示出的物体(如塑料)没有质感显示出的物体(如塑料)没有质感n n环境光是常量,没有考虑物体之间相互的反射光环境光是常量,没有考虑物体之间相互的反射光n n镜面反射的颜色是光源颜色,与物体的材料无关镜面反射的颜色是光源颜色,与物体的材料无关n n镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真镜面反射模型(9/9)简单透明模型(1/5)透明物体透明物体n n如玻璃杯、花瓶、水如玻璃杯、花瓶、水n n不但会反射光,还会不但会反射光,还会透射
17、光透射光透射光透射光n n可通过它看到它背后的物体可通过它看到它背后的物体折射的几何定律折射的几何定律折射的几何定律折射的几何定律n nSnellSnell定理定理 折射的几何定律示意图入射光线表面法线反射光线透射光线交界面媒质1媒质2简单透明模型(2/5)折射对视觉产生的影响折射对视觉产生的影响 n n折射导致光的传播方向发生改变折射导致光的传播方向发生改变n n会影响到物体的可见性会影响到物体的可见性 折射现象对视觉产生的影响ab123434简单透明模型(3/5)精确模拟折射现象n n需要大量计算,很费时需要大量计算,很费时简单透明模型简单透明模型n n不考虑折射的影响不考虑折射的影响n
18、n假设各物体间的假设各物体间的折射率不变折射率不变n n折射角总是等于入射角折射角总是等于入射角好处好处n n加速了光强度的计算加速了光强度的计算n n对较薄的多边形表面也可生成合理的透明效果对较薄的多边形表面也可生成合理的透明效果简单透明模型(4/5)简单透明模型简单透明模型n nNewellNewell和和SancheSanche提出提出 不考虑折射的简单的透明模型透明物体I1I2简单透明模型(5/5)若第二个物体表面也是透明面n n上述算法可以递归地进行下去上述算法可以递归地进行下去n n直到遇到一个不透明面或背景时为止直到遇到一个不透明面或背景时为止 适应性适应性n n线性近似算法不适
19、用于曲面物体线性近似算法不适用于曲面物体n n因为在曲面的侧影轮廓线上,材料的厚度减少因为在曲面的侧影轮廓线上,材料的厚度减少了透明度了透明度多边形表示的明暗处理(1/7)问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出n n用多边形网格来逼近和表示曲面时用多边形网格来逼近和表示曲面时用多边形网格来逼近和表示曲面时用多边形网格来逼近和表示曲面时n n曲面光照效果就呈现不连续的光亮度跳跃变化曲面光照效果就呈现不连续的光亮度跳跃变化曲面光照效果就呈现不连续的光亮度跳跃变化曲面光照效果就呈现不连续的光亮度跳跃变化 解决方法解决方法解决方法解决方法n n用尽可能小的多边形来逼近和表示曲面,使光照效果中存用尽可
20、能小的多边形来逼近和表示曲面,使光照效果中存用尽可能小的多边形来逼近和表示曲面,使光照效果中存用尽可能小的多边形来逼近和表示曲面,使光照效果中存在的不连续的光亮度跳跃变化小于人类视觉的分辨率在的不连续的光亮度跳跃变化小于人类视觉的分辨率在的不连续的光亮度跳跃变化小于人类视觉的分辨率在的不连续的光亮度跳跃变化小于人类视觉的分辨率n n GouraudGouraud明暗处理明暗处理明暗处理明暗处理 n n PhongPhong明暗处理明暗处理明暗处理明暗处理 Gouraud明暗处理明暗处理n n多边形内部各点颜色的获得多边形内部各点颜色的获得多边形内部各点颜色的获得多边形内部各点颜色的获得n n对
21、顶点颜色双线性插值对顶点颜色双线性插值对顶点颜色双线性插值对顶点颜色双线性插值亮度双线性插值扫描线x231ypab4多边形表示的明暗处理(2/7)Gouraud明暗处理步骤明暗处理步骤对多边形网格中的每一个多边形:对多边形网格中的每一个多边形:对多边形网格中的每一个多边形:对多边形网格中的每一个多边形:1 1)计算多边形的单位法矢量;)计算多边形的单位法矢量;)计算多边形的单位法矢量;)计算多边形的单位法矢量;2 2)计算多边形顶点的单位法矢量;)计算多边形顶点的单位法矢量;)计算多边形顶点的单位法矢量;)计算多边形顶点的单位法矢量;3 3)利用光照模型计算顶点的颜色;)利用光照模型计算顶点的
22、颜色;)利用光照模型计算顶点的颜色;)利用光照模型计算顶点的颜色;4 4)在扫描线消隐算法中)在扫描线消隐算法中)在扫描线消隐算法中)在扫描线消隐算法中 对对对对多边形顶点颜色多边形顶点颜色多边形顶点颜色多边形顶点颜色进行进行进行进行双线性插值双线性插值双线性插值双线性插值 获得位于多边形内扫描线上各点的颜色获得位于多边形内扫描线上各点的颜色获得位于多边形内扫描线上各点的颜色获得位于多边形内扫描线上各点的颜色多边形表示的明暗处理(3/7)优点优点n n简单易行简单易行简单易行简单易行缺点缺点n n只适用于简单的漫反射光照模型只适用于简单的漫反射光照模型只适用于简单的漫反射光照模型只适用于简单的
23、漫反射光照模型n n线性光强度插值引起的线性光强度插值引起的线性光强度插值引起的线性光强度插值引起的Mach-bandMach-band效应效应效应效应多边形表示的明暗处理(4/7)Phong明暗处理明暗处理n n多边形内部各点法矢量的获得多边形内部各点法矢量的获得多边形内部各点法矢量的获得多边形内部各点法矢量的获得n n对顶点法矢量双线性插值对顶点法矢量双线性插值对顶点法矢量双线性插值对顶点法矢量双线性插值多边形表示的明暗处理(5/7)Phong明暗处理明暗处理步骤步骤 1 1)计算多边形的单位法矢量;)计算多边形的单位法矢量;)计算多边形的单位法矢量;)计算多边形的单位法矢量;2 2)计算
24、多边形顶点的单位法矢量;)计算多边形顶点的单位法矢量;)计算多边形顶点的单位法矢量;)计算多边形顶点的单位法矢量;3 3)在扫描线消隐算法中)在扫描线消隐算法中)在扫描线消隐算法中)在扫描线消隐算法中 对对对对多边形顶点法矢量多边形顶点法矢量多边形顶点法矢量多边形顶点法矢量进行进行进行进行双线性插值双线性插值双线性插值双线性插值 获得位于多边形内的扫描线上各点的法矢量;获得位于多边形内的扫描线上各点的法矢量;获得位于多边形内的扫描线上各点的法矢量;获得位于多边形内的扫描线上各点的法矢量;4 4)利用光照模型计算各点的颜色)利用光照模型计算各点的颜色)利用光照模型计算各点的颜色)利用光照模型计算
25、各点的颜色多边形表示的明暗处理(6/7)优点优点n n绘制的图形比绘制的图形比绘制的图形比绘制的图形比GouraudGouraud方法更真实方法更真实方法更真实方法更真实 缺点缺点n n计算量远大于计算量远大于计算量远大于计算量远大于GouraudGouraud方法方法方法方法 多边形表示的明暗处理(7/7)半色调技术(1/15)Halftonen n在在在在光强等级范围较小的输出设备光强等级范围较小的输出设备光强等级范围较小的输出设备光强等级范围较小的输出设备上输出图像上输出图像上输出图像上输出图像n n将多灰度级图像数据转换成能反映其灰度变化将多灰度级图像数据转换成能反映其灰度变化将多灰度
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