计算机图形学-第十章-真实感图形渲染

第十章：真实感图形渲染王晓华合肥工业大学，计算机与信息学院计算机图形学Chapter10真实感图形渲染2/56Chapter10真实感图形渲染3/56Chapter10真实感图形渲染4/56Chapter10真实感图形渲染5/56真实感绘制‡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。外观面片模型光源条件材质材料+光照+Chapter10真实感图形渲染6/56什么是光照计算？‡现实世界中，因为“光”的存在，使得物体表面有明暗变化‡模拟现实世界的光照行为，获取更逼真的图片Chapter10真实感图形渲染7/56teapotTeapot考虑光照计算前后的程序与效果对比Opengl程序Chapter10真实感图形渲染8/56光照模型(IlluminationModel)‡光照模型就是用于计算几何物体表面任一点上的光亮度和色彩组成的数学计算公式。‡光照模型就是用数学方法来描述现实世界中的光照情况91967年，Wylie等人第一次在显示物体时加进光照效果。91970年，Bouknight在Comm.ACM上发表论文，提出第一个光反射模型。91971年，Gouraud在IEEETrans.Computers上发表论文，提出漫反射模型加插值的思想。91975年，Phong在Comm.ACM上发表论文，提出图形学中第一个有影响的光照模型。Chapter10真实感图形渲染9/56提提纲纲1.1.基本概念基本概念2.2.局部光照模型局部光照模型3.3.全局光照模型全局光照模型4.4.多面体的明暗处理多面体的明暗处理5.5.阴影和表面细节阴影和表面细节6.6.总总结结Chapter10真实感图形渲染10/56基本概念‡光强（度）：描述物体表面朝某方向辐射光的颜色，它是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（IlluminationModel）9局部光照模型：光强仅与被照明的物体和光源有关9全局光照模型：光强与场景中任一点都相关Chapter10真实感图形渲染11/56提提纲纲1.1.基本概念基本概念2.2.局部光照模型局部光照模型3.3.全局光照模型全局光照模型4.4.多面体的明暗处理多面体的明暗处理5.5.阴影和表面细节阴影和表面细节6.6.总总结结Chapter10真实感图形渲染12/56局部光照模型‡局部光照模型：假定光是点光源，物体是非透明物体，且表面光滑，透射光和散射光将近似于零。9局部光照模型中只考虑反射光的作用9反射光包括环境光（AmbientLight）、漫反射光(DiffuseLight)和镜面反射光(SpecularLight)环境光漫反射光镜面反射光最后结果Chapter10真实感图形渲染13/56环境光aaeKII=‡照射在物体上的光来自各个方向，又均匀地向各个方向反射。图10-1环境光的反射‡近似认为，在同一环境下的环境光是恒定不变的，对任何物体的表面都相等。PP点对环境光的反射强度环境光的强度物体表面对环境光的反射系数Chapter10真实感图形渲染14/56环境光Chapter10真实感图形渲染15/56漫反射光]2,0[,cosπθθ∈=dpdKII光源N‡在点光源的照射下，物体表面的不同部分亮度不同，亮度的大小依赖于物体表面的朝向以及它与点光源之间的距离。‡漫反射特点：光源来自一个方向，反射光均匀地射向各个方向。θ漫反射光强只与入射角有关，与反射角（视点）无关。视点移到任何地方，观察到的光强都相等。Chapter10真实感图形渲染16/56漫反射光Chapter10真实感图形渲染17/56镜面反射光LVNRLNRββαθ(a)理想高光泽表面（镜面）(b)非理想反射面（瓷器、金属）‡镜面反射光：一种朝向一定方向的反射光，它遵从光的反射定律Chapter10真实感图形渲染18/56镜面反射光‡镜面反射光：采用余弦函数的幂次来模拟镜面反射光cosnsseIkIθ=9Is:物体表面镜面反射光亮度9Ie:发自光源的入射光的光亮度9θ:镜面反射方向和视线方向的夹角9ks:表面的镜面反射率9n:镜面反射光的会聚指数，又称“高光”指数,表面越光滑，n越大Chapter10真实感图形渲染19/56theeffectofnnsmallnlargecosθ2cosθ3cosθ8cosθ2π−2πChapter10真实感图形渲染20/56局部光照模型γαnesedaaIkIKIKIcoscos++=)coscos(1γαnsdmiiaakKIIKI++=∑=‡多光源计算模型‡最后结果综合了漫反射、镜面反射及泛光反射分量Chapter10真实感图形渲染21/56局部光照模型Chapter10真实感图形渲染22/56典型局部光照模型‡泛光模型（环境光）‡Lambert漫反射模型（漫反射光）‡Phong镜面反射模型（镜面放射光）Chapter10真实感图形渲染23/56提提纲纲1.1.基本概念基本概念2.2.局部光照模型局部光照模型3.3.全局光照模型全局光照模型4.4.多面体的明暗处理多面体的明暗处理5.5.阴影和表面细节阴影和表面细节6.6.总总结结Chapter10真实感图形渲染24/56全局光照模型‡局部光照模型的局限9仅考虑从光源直接发出的光线对物体表面光亮度的贡献9没有考虑光线在物体之间的相互反射和透射‡全局光照模型：Whitted模型9可模拟现实世界中景物表面之间的镜面反射和透射现象的贡献Chapter10真实感图形渲染25/56Whitted模型‡假设从某一观察方向V所观察到的物体表面某点P的光亮度的贡献来自于三个方面9由光源直接照射引起的反射光亮度9环境镜面反射光9环境规则透射光Chapter10真实感图形渲染26/56反射与折射Chapter10真实感图形渲染27/56Whitted模型的解法‡光线跟踪算法‡辐射度方法‡光子映射方法Chapter10真实感图形渲染28/56光线跟踪算法从眼睛出发的光线追踪从光源出发的光线追踪从光源出发进行光线追踪，会有很多光线无法进入成像平面，造成大量资源浪费。所以经典的光线追踪算法是从观察点（眼睛）出发追踪每一条观察点到成像平面上的射线。Chapter10真实感图形渲染29/56Ray-Tracing:WhyUseIt?¾Simulateraysoflight•Producesnaturallightingeffects•SoftshadowsChapter10真实感图形渲染30/56Ray-Tracing:WhyUseIt?•Simulateraysoflight¾Producesnaturallightingeffects¾Depthoffield,motionblur(景深，运动模糊）景深（相机的近清晰远模糊效果）Chapter10真实感图形渲染31/56光线跟踪算法Chapter10真实感图形渲染32/56光线跟踪算法RTTRRRT光线跟踪树从属光线Chapter10真实感图形渲染33/56光线跟踪算法maxlevel=1maxlevel=1maxlevel=2maxlevel=2maxlevel=4maxlevel=4maxlevel=3maxlevel=3非常高的递归等级Chapter10真实感图形渲染34/56光线跟踪算法从眼睛出发的光线追踪‡从成像平面的每一个像素发射一条光线‡跟踪处理每一条光线‡优点：算法简单，效果好‡缺点：计算量大常用的是局部光照模型Chapter10真实感图形渲染35/56提提纲纲1.1.基本概念基本概念2.2.局部光照模型局部光照模型3.3.全局光照模型全局光照模型4.4.多面体的明暗处理多面体的明暗处理5.5.阴影和表面细节阴影和表面细节6.6.总总结结Chapter10真实感图形渲染36/56多边形物体的明暗处理‡FlatShading（恒定光强明暗处理）‡Gouraud明暗处理‡Phong明暗处理Chapter10真实感图形渲染37/56恒定光强明暗处理‡任取多边形上一点的法矢量，利用简单光照模型计算出它的颜色值C‡将C赋给该多边形在屏幕上的投影所覆盖的全体像素优点：计算量小ACBDNChapter10真实感图形渲染38/56恒定光强明暗处理缺点：9景物表面上相邻的多边形之间颜色差异较大，存在马赫带效应，没有光滑过渡Chapter10真实感图形渲染39/56Gourand&&Phong明暗处理ACBDGouraudShading&PhongShadingNANBNCNDEVN1N2N3N4Chapter10真实感图形渲染40/56Gouraud明暗处理ACBDGourandShading&PhongShadingNANBNCNDE‡利用局部光照模型计算每一顶点处的光亮度（IA、IB、IC、ID）‡多边形内部各点处的光亮度值通过对多边形顶点处的光亮度的双线性插值得到IEABIAIBCICIA、IB已知，求ICcABBCACIIIABAB=+iiABCDEE'E又称光亮度插值明暗处理Chapter10真实感图形渲染41/56如何进行线性插值¾假设已知坐标(x0,y0)与(x1,y1),要得到[x0,x1]区间内某一位置x在直线上的值。(1)0(0)110xxyxxyxx−+−=−ABIAIBCIC0010100(10)(0)(10)100100*1*00*10*010cyyxxyyxxyxxxxyyyxxyxyxxyxyxyxyIxx−−=−−−+−−=−∗−∗+−−+=−*0*1ABBCyACyABBCACIIABAB+==+iiChapter10真实感图形渲染42/56光强计算在下图中，四边形的顶点分别为()0,0,0A、()2,0,0B、()2,2,0C、()0,2,0D；A、B、C和D处的法矢量分别为()0,0,2AN=、()2,0,2BN=、()2,2,2CN=、()0,2,2DN=；漫反射光源()1,1,2S=，入射光强度1aI=，漫反射系数1dK=。请根据Gouraud和Phong明暗处理方法求点()1,1,0P=处的漫反射光强PI（不考虑光强衰减）；注：如果向量()L,,LLLxyz和()N,,NNNxyzN的夹角为θ，那么()222222cosLNLNLNLLLNNNxxyyzzxyzxyzθ⋅+⋅+⋅=++⋅++ABCDS(光源)XYZPANBNCNDNChapter10真实感图形渲染43/56第一步：求A、B、C、D各点的光强()112ALSA=−=，()()()()2222221010226cos()1*3002112AadIIKθ++=∗∗==++++iiii()112BLSB=−=−，()()()()()2222221210223cos()1*1*6202112BadIIKθ−++=∗∗==++−++iiii()112CLSC=−=−−，()()()()()()222222121222cos()1*0222112CadIIKθ−+−+=∗∗==++−+−+iiii()112DLSD=−=−，()()()()()()2222221012223cos()1*6022112DadIIKθ+−+=∗∗==+++−+iiii第二步：求P点的光强：()116363303664412pABCDIIIII+⎛⎞=+++=+++=⎜⎟⎝⎠针对一个平面上的所有像素，共有：8（4个顶点的光强)+number(所有像素个数)个计算式子Chapter10真实感图形渲染44/56Gouraud明暗处理优点：9简单快速9图形在真实感上较FlatShading有了较大的提高缺点：9马赫带效应依然存在9不能正确模拟高光Chapter10真实感图形渲染45/56Phong明暗处理ACBDGouraudShading&PhongShadingNANBNCNDE‡利用双线性插值得到多边形内部各点处的法向量(NE)‡利用局部光照模型计算每一点的光强(IE)NE优点：9过渡自然9较好模拟高光缺点：9计算量大Chapter10真实感图形渲染46/56光强计算在下图中，四边形的顶