7.4 光线跟踪--光线跟踪 Nhomakorabea基本原理
用光线跟踪方法显示真实感图形有如下优点： 1）显示它不仅考虑到光源的光照，而且考虑到场景中各物体之间 彼此反射的影响，因此显示效果十分逼真。
2）有消隐功能 采用光线跟踪方法，在显示的同时，自然完成消隐功能。而且，事 先消隐的做法也不适用光线跟踪，因为那些背面和被遮挡的面，虽 然看不见，但仍能通过反射或透射影响着看得见的面上的光强。
光泽的表面对光的反射
• 朗伯余弦定律： Id = IpKd cos a 漫反射光的强度只与入射角有关
• 光照明方程（含环境光与漫反射光） I = Ie + Id = IaKa + IpKd cos a
简单光照明模型
• 镜面反射：
光滑表面，“高光”效果；理想反射面与非理想反射面
• Phong 模型 • 光照明方程
对多边形网络中的每一个多边形，其着色步骤如下： 1）计算多边形的单位法矢量；
2）计算多边形顶点的单位法矢量； 3）利用光照明方程计算顶点的颜色； 4）在扫描线消隐算法中，对多边形顶点颜色进行双线性插值， 获得多边形内部（位于多边形内的扫描线上）各点的颜色。
多边形绘制方法
• Phong着色方法
通过对多边形顶点的法矢量进行线性插值来获得其内 部各点的法矢量，又称法向插值着色方法。
光线跟踪--光线跟踪的基本原理
光线跟踪（Ray-trace）是一种真实感地显示物体的方法，该 方法由Appel在1968年提出[11]。光线跟踪方法沿着到达视点的光线 的相反方向跟踪，经过屏幕上每一象素，找出与视线所交的物体表 面点 P0，并继续跟踪，找出影响P0点光强的所有的光源，从而算出 P0点上精确的光照强度。
简单光照明模型
• 光的衰减
两个阶段：1）从光源到物体表面的过程中的衰 减
2）从物体表面到人眼过程中的衰减
总的效果：物体表面的亮度降低
• 光照明方程
1）有效衰减函数的加入 2）深度暗示技术的加入
简单光照明模型
• 彩色场景的产生
1）选择一个合适的颜色模型 2）为颜色的三个分量分别建立光照明方程
步骤如下： 1）计算多边形的单位法矢量；
2）计算多边形顶点的单位法矢量； 3）在扫描线消隐算法中，对多边形顶点的法矢量进 行双线性插值，获得多边形内部（位于多边形内的扫 描线上）各点的法矢量； 4）利用光照明方程计算各点的颜色。
光照模型--明暗的光滑处理
Phong光照明模型示意彩图
多边形绘制方法
• 两方法的比较 1）Phong着色方法计算量远大于Gouraud着色方法
2） Phong着色方法绘制的图形比Gouraud方法更真实
体现在两个场合：高光区域的扩散 不产生高光区域
• 插值着色方法存在的问题
光照模型--明暗的光滑处理
图中上面的牛多边形网格模型用Phong模 型绘制 下面的同一个模型用增量式光照明模型 绘制
• 物体表面光的亮度是指单位投影面积在单位立体角内发出的光的能量，它是 物体表面上的小面元所具有的性质。对点光源常用强度来代替亮度。强度是 指点光源在单位立体角内发出的光能。同样大小的被照射面离光源越远，接 收到的光能就越少。光的传播服从反射定律和折射定律，光源与物体所表现 颜色的关系可通过光照模型来模拟。
面所呈现的亮度未必相同，因为它们的环境光反射系数不 同。
• 光照明方程（仅含环境光）： Ie = KaIa
Ie为物体表面所呈现的亮度。
简单光照明模型
• 点光源的照射：照在物体的不同部分其亮度也不同， 亮度Ip的大小依赖于物体的朝向及它与点光源之间的距离.
• 漫反射(diffuse reflection):粗糙、无
简单光照明模型
光照射到物体表面，主要发生： 反射 透射（对透明物体） 部分被吸收成热能
反射光，透射光决定了物体所呈现的颜色
简单光照明模型
假定物体是不透明的（即无透射光） • 环境光：在空间中近似均匀分布，即在任何位置、任何方向
上强度一样,记为Ia • 环境光反射系数Ka：在分布均匀的环境光照射下，不同物体表
多边形绘制方法
• 分类：均匀着色与光滑着色
• 均匀着色
所适用场景：1）光源在无穷远处； 2）视点在无穷远处； 3）多边形是物体表面的精确表示；
• 光滑着色，亦称插值着色
Gouraud着色方法 Phong着色方法
多边形绘制方法
• Gouraud着色方法 通过对多边形顶点颜色进行线性插值来获得
其内部各点颜色，又称颜色插值着色方法。
• 物体所表现的颜色与光源有密切的关系。光照模型的 作用就是计算物体可见表面上每个点的颜色与光源的 关系，因此它是决定图形真实感的一项重要内容。物 体表面发出的光是极其复杂的，它既与环境中光源的 数目、形状、位置、光谱组成和光强分布有关，也与 物体本身的反射特性和物体表面的朝向有关，甚至还 与人眼对光线的生理和心理视觉因素有关。把这一切 都通过计算机精确地计算出来是不现实的，我们只能 用尽可能精确的数学模型——光照模型来模拟光和物 体的相互作用，从而近似地计算物体可见表面每一点 的亮度和颜色。
第十二讲
真实感图形绘
简单光照明模型 多边形绘制方法 表面细节模拟 透明 整体光照明模型
• 现实世界中，物体所表现的颜色都是光能作用的结果。 客观世界中的物体都不同程度地具有发射光线、吸收 光线、反射光线和透射光线的能力。光线照射到物体 表面时，一部分被吸收并转化为热能，其余部分被则 反射或透射。正是部分反射或透射的光线被眼睛接收 后，我们才感觉到物体的存在及其所特有的形状和色 彩。因此，要绘制高度真实感图形，就必须定义场景 中的光源。为了便于计算，我们必须定量地描述光的 多少或强弱，亮度和强度就是用来定量描述光的两个 基本概念。
• 光照明方程
固定颜色光的光照明方程 任意颜色光的光照明方程 • 多光源照射的光照明方程
简单光照明模型
• 最基本的光照模型是Phong模型，它首次使光源和视点的位置可以任意选定。 Phong 模型表达式如下：
• Phong 模型假设反射光线集中在反射方向(反射角等于入射角的方向)附近， 并随着与反射方向夹角的增大，反射光急剧减弱。用Phong模型计算所得的 物体象塑料，镜面反射光是光源的颜色，不能反映物体表面的材料特性，而 且镜面反射在入射角很大时有失真。这个模型模拟的反射效果不理想，用它 生成的图形缺乏质感。