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均匀反射的光线

均匀反射的光线

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  真实感图形 授课教师: 单位: 主要内容 ? ? ? ? ? ? ? ? 引言 光照明模型 多边形物体的明暗处理 光线跟踪算法 纹理映射 辐射度方法 实时绘制技术 非线 主要内容 ? ? ? ? ? ? ? ? 引言 光照明模型 多边形物体的明暗处理 光线跟踪算法 纹理映射 辐射度方法 实时绘制技术 非线 引言 ? ? 目标:让计算机生成如同照片般真实的图像 生成真实感图形的步骤 ? ? ? ? 建立几何模型,确定景物表面的光照属性 进行取景变换,将物体投影到二维平面上 采用消隐算法剔除当前视点处不可见的场景表面 根据光照明模型,计算在可见场景表面的光亮度 4 主要内容 ? ? ? ? ? ? ? ? 引言 光照明模型 多边形物体的明暗处理 光线跟踪算法 纹理映射 辐射度方法 实时绘制技术 非线 光照明模型 ? 影响物体表面光照明效果的因素 ? ? ? ? ? 光源 观察点位置 物体表面局部几何形状 表面朝向 材料属性 ? 光照明模型考虑物体表面上每一个点所代表的 微小面元受到来自光源或周围环境光线的照射 而产生的反射或透射光亮度 6 光照明模型 ? 最常用的四类光照明模型 ? ? ? ? 泛光模型 Lambert漫反射模型 Phong镜面反射模型 Whitted整体光照明 模型 7 泛光模型 最简单的光照明模型 ? 试图刻画周围环境反射光对物体表面照明贡献 ? 8 泛光模型 ? 假定环境反射光沿任何方向对任何物体表面入 射的光亮度都相等,采用常量近似 I env ? K a I a ? R ? ? K aR * Ra ? ?G ? ? ? K * G ? a? ? ? ? aG ? ?B? ? ? ? K aB * Ba ? ? Ienv: 物体表面对泛光的反射光亮度 Ia: 泛射光的入射光亮度 Ka: 物体表面对泛光的反射率 9 泛光模型 泛光模型的光照明效果(Utah Teapot) 10 Lambert漫反射模型 直接光源对物体表面的照射有方向性 ? 物体表面的反射光分为: ? ? ? 漫反射光 镜面反射光 示例:地面、金沙国际唯一官网网址树木 ? 纯漫射表面只产生漫反射 ? 11 Lambert漫反射模型 ? 漫反射光是物体表面对入射光线朝各个方向的 均匀反射 ? ? 大小只与入射光的光亮度和入射方向有关 与漫反射光的反射方向无关 光源 N 均匀反射的光线 Lambert漫反射模型 ? 漫反射光亮度和光源入射角(入射光线和表面 法向量的夹角)的余弦成正比 I d ? K d I e cos? Id: 表面漫反射光的光亮度 Kd: 物体表面漫反射率 Ie: 发自光源的入射光的光亮度 α: 光源入射角 光源 N V 视点 L α A 13 Lambert漫反射模型 ? cosα的计算 ? 快速计算平方根(光盘附带源程序) ( N , L) ( N , L) cos α ? ? N * L ( N , N ) * ( L, L) 光源 N V L 视点 ? α的变化对Id的影响 α A 14 Lambert漫反射模型 ? Lambert光照模型 I ? K a I a ? K d I e cos ? I: 景物表面的反射光亮度 Ia: 环境泛光入射光亮度,一般取值范围为0.02Ie~0.2Ie 15 Lambert漫反射模型 Lambert模型的光照明效果(Utah Teapot) 16 Phong模型 ? 镜面高光示例 17 Phong模型 ? 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 N R L β β L α θ N R V (a) (b) 18 Phong模型 ? Phong采用余弦函数的幂次来模拟镜面反射光 I s ? k s I e cos ? n Is: 物体表面镜面反射光亮度 Ie: 发自光源的入射光的光亮度 θ: 镜面反射方向和视线方向的夹角 ks: 表面的镜面反射率 n: 镜面反射光的会聚指数,又称 “高光”指数 19 Phong模型 ? 镜面反射方向的计算 20 Phong模型 ? 虚拟镜面法向H H N R γ β β θ V I s ? k s I e cos ? n L 虚拟镜面 H ? (L ? V ) / 2 I s ? k s I e cos ? n 21 Phong模型 ? Phong模型 ? 综合了漫反射、镜面反射及泛光反射分量 I ? K a I a ? K d I e cos? ? ks I e cosn ? 22 Phong模型 ? Phong模型 ? 多光源 I ? K a I a ? ? I i ( K d cos? ? k s cos ? ) n i ?1 ? m 矢量积形式 I ? K a I a ? ? I i ( K d ( N , L) ? k s ( N , H ) ) n i ?1 m 23 Phong模型 Phong模型的光照明效果(Utah Teapot) 24 Whitted模型 ? 局部光照明模型的局限 ? ? 仅考虑从光源直接发出的光线对物体表面光亮度的 贡献 没有考虑光线在物体之间的相互反射和透射 可模拟现实世界中 景物表面之间的 镜面反射和透射 现象 ? Whitted模型:整体光照明模型 ? 25 Whitted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: ? ? ? 由光源直接照射引起的反射光亮度Ic 镜面反射光 规则透射光 26 Whitted模型 照片:注意观察树枝在水面的倒影及在水 中的折射效果 镜面反射和规则透射示例 27 Whitted模型 ? Whitted整体光照明模型 I ? I c ? k s I s ? kt I t Ic:由光源直接照射在表面上引起的反射光亮度 Is:沿V的镜面反射方向r入射到表面上的环境光在表面上产生的 镜面反射光 It:沿V的规则透射方向t入射到表面上的环境光通过透射在表面 上产生的规则透射光 ks:表面的镜面反射率 kt:表面的透射率 28 Whitted模型 ? Whitted模型的求解 光线跟踪! Whitted T, An improved illumination model for shaded display, Communications of the ACM, 1980, 23(6):343349. 29 光照明模型的进一步完善 从物体表面上的某一点朝某一特定方向反射的 光线的光亮度通常可由一个各向异性函数 (e.g.,BRDF)描述 ? 相关参数 ? ? ? ? ? 入射光线方向 物体表面法向 观察方向 … 30 光照明模型的进一步完善 ? 光照明模型分类 ? 基于经验的简单光照明模型 ? Phong模型 ? 基于物理的光照明模型 ? ? Blinn模型 Cook-Torrence模型 ? 双向反射率函数(BRDF)模型 31 光照明模型的进一步完善:图例 Phong模型效果 光照明模型的进一步完善:图例 Blinn模型效果 光照明模型的进一步完善:图例 Cook-Torrence 模型效果 光照明模型的进一步完善:图例 采用BRDF模型绘制的茶壶 35 主要内容 ? ? ? ? ? ? ? ? 引言 光照明模型 多边形物体的明暗处理 光线跟踪算法 纹理映射 辐射度方法 实时绘制技术 非线 多边形物体的明暗处理(Shading) 在计算机图形学中,场景中的许多物体都采用 多边形表示 ? 三类常用的明暗处理(Shading)方式 ? ? ? ? Flat Shading Gouraud Shading Phong Shading 37 Flat Shading ? 方法 ? ? 依据局部光照明模型按每一个多边形的法向计算出 一个颜色值C 将C赋给该多边形在屏幕上的投影所覆盖的全体像素 ? 优缺点 ? ? 处理简单,计算量小 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 38 Flat Shading ? 示例 39 Gouraud Shading ? 方法 ? ? ? 为多边形物体的每一个顶点 赋一个法向量 利用局部光照明模型计算每 一顶点处的光亮度 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 Gouraud Shading ? 示例 41 Gouraud Shading ? ? 又称光亮度插值明暗处理 优缺点 ? ? ? 简单快速,金沙国际唯一官网网址所生成的图形在真实感上较Flat Shading 有了较大的提高 马赫带效应依然存在 不能正确模拟高光 42 Phong Shading ? 方法 ? ? ? 为多边形物体的每一个顶 点赋一个法向量 多边形内部各点处的法向 量则通过对多边形顶点处 法向量的双线性插值得到 利用Phong模型计算每一 点的光亮度 PA PB P1 P2 P3 43 Phong Shading ? 示例 44 Phong Shading ? ? 又称法向插值明暗处理 优缺点 ? ? ? 能较好地模拟高光 相邻多边形之间的光亮度过渡更自然 计算量比Gouraud Shading要大得多 45

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