第13章-真实感图形绘制

rendering
目标：生成像照片一样真实的图像。
引言
相关知识
1) 表面颜色：物体表面呈现的颜色是由 表面向视线方向辐射的光决定的。
若表面辐射光中等量地包含了所有波长的可见光，则表面将呈现非 彩色（白色、灰色、黑色），否则表面为彩色。 若表面反射光中仅含红光波长，则表面将呈红色。
光谱分布表示了一束光中不同波长光所占的比例，它唯一地决定了 所感知的可见光的色彩。 图形学中使用光亮度/光强(luminance)来描述物体表面向某方向辐 射光的颜色。它既能表示光能大小又能表示其色彩组成。
一个粗糙的，无光泽的表面表现为漫反射,如土墙.
平行光或方向光
简单光照模型
朗伯定律：
对于一个漫反射体，表面反射光强度和光源入射角（入射光线和表面 法向量的夹角）的余弦成正比，即
其中，
Il,diff kd Il cos
kd表示入射光线中被漫反射部分所占的百分比，即漫反射系数；
Il为点光源的强度;
则 cos NL ，那么前面关于单个点光源的光照中漫反射方程为：
Il,diff kd Il (N L)
参数kd（在0和1之间）对上式的影响：
简单光照模型
更完整的反射表达式： 漫反射 + 环境光
Il,diff ka Ia kd Il (N L)
ka
其中，ka 和 kd 分别为环境光反射 系数和漫反射系数，它们取决于
Part1:Computer Graphics
Chap1. Realistic Rendering Illumination Model & Ray Tracing
引言
真实感图形学是计算机图形学中的一个重要组成部分。它综合利 用数学、物理学、计算机科学等多科学知识在计算机图形设备上生成像 彩色照片那样的真实图形。

10800 rays used in lighting pass.Note:-improved caustic definition,-lighting effect of mirror, -reflection of caustic,-shadowing due to mirror lighting.CausticsFrom Alan Watt, “3D Computer Graphics”Standard raytracer:Diffuse table and blue ball,mirrors left, right and back, transparent red ballBi-directional raytracer More rays in the light passSingle Pass (Conventional RT)Note : caustic due to red transparent ballHenrik http://www.gk.dtu.dk/~hwjBidirectional example200 rays used in lighting pass 400 rays used in lighting passRefraction causticsHenrik http://www.gk.dtu.dk/~hwj15Direct illumination 16Global Illumination17eyediagram photograph:18Original sculpture by John Ferren lit by daylight from behind.Image rendered with radiosity. note color bleeding effects.Ray traced image. A standard ray tracer cannot simulate the interreflection of light between 19Radiosity vs. Ray TracingRay-tracingView-dependentSpecular and refractionRadiosityView-independent Diffuse only20Radiosity vs. Ray Tracing•Ray tracing is an algorithm–If the camera is moved, we have to start over•Radiosity is computed in object-space–View-independent (just don't move the light)–Can pre-compute complex lighting to allow interactive walkthroughs26The Rendering EquationxMuseum simulation. Program of Computer Graphics, Cornell University.50,000 patches. Note indirect lighting from ceiling.32Radiosity Overview在辐射度方法中，所有的景物表面都假设为理想的朗伯漫反射表面所有的入射光在各个方向上反射的光强都一样整个场景被划分为一系列的小区域（small areas, or patches ）设小区域i 向外辐射的所有能量的辐射度为Bi,并认为在i 内所有地方的辐射度为一个常数单位如下，表示单位立体角单位面积的瓦特数:Watts / steradian * meter 2x'ω'x'xxx’Discrete Radiosity EquationA iA j•discrete representation•iterative solution•costly geometric/visibility calculationspatches, over which the radiosity =i B The Radiosity Matrix求解该矩阵，就可以为每一个patch 得到一个B i ，它与视点是无关的。

图12 光线跟踪算法
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光线跟踪算法步骤
从视点出发，确定穿过每个像素中心的光线路径， 然后，沿这束光线累计光强，并将最终值赋给相应 像素。
对于每一像素光线，对场景中的所有物体表面进行 测试以确定其是否与该光线相交，并计算出交点的 深度，深度最大（z值）的交点即为该像素对应的可见
点。然后，继续考察通过该可见点的从属光线（
pname取值 GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT
默认值 (0.2, 0.2, 0.2, 1.0)
GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWE GL_FALSE
R
GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE
GL_FALSE
GL_LIGHT_MODEL_COLOR_CONTR GL_SINGLE_COLOR OL
P点对环境光的反射强度为
图1 环境光的反射
8
漫反射光（Diffuse Reflection）
一个粗糙的、无光泽的表面呈现为漫反射。
特点：光源来自一个方向，反射光均匀地射向各个方向 。
由Lambert余弦定理可 得点P处漫反射光的强度为：
图2 漫反射
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漫反射光（Diffuse Reflection）
含义 整个场景的环境光成分 如何计算镜面反射角
单面光照还是双面光照 镜面反射颜色是否独立于环境颜 色、散射颜色
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OpenGL材质属性
在OpenGL中，下面的函数用于指定材质属性
void glMaterial{if} (GLenum face, GLenum pname, TYPE param);
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光线跟踪算法步骤
图13 光线跟踪及光线跟踪树
44
光线跟踪算法步骤

浅谈真实感图形生成技术及真实感绘制作者：许燕来源：《电脑知识与技术》2013年第24期摘要：真实感图形是计算机图形学中一个重要的组成部分，它的基本要求是在计算机中生成三维场景的真实感图形或图象。

多媒体教育、虚拟现实系统、科学计算可视化、动画制作、电影特技模拟、计算机游戏等许多方面，真实感图形学都发挥了重要的作用。

其中的核心内容就是真实感绘制，它有多种方法，其中植物场景的真实感绘制是比较常用的。

例如对于场景中的物体、要得到它的真实感图形，就要对它进行透视投影，并消除隐藏面，然后计算可见面的光照明暗效果等。

关键词：真实感绘制技术；自然场景；体纹理；光线跟踪中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）24-5541-02真实感图形的发展是比较早的，在1967年，Wylie等人第一次在显示物体时加进光照效果，认为光强与距离成反比；1970年，Bouknight提出第一个光反射模型：Lambert漫反射+环境光；1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的思想；1975年，Phong提出图形学中第一个有影响的光照明模型。

真实感图形绘制技术是图形学绘制技术发展的结果，它的目标是根据几何场景的造型、材质和光源分布，将其转变成跟真实场景在视觉效果上非常相似的图象，使观察者有身临其境的感觉。

计算机自然景物模拟，因其所具有的广泛应用领域，而成为计算机图形的一个重要分支。

在商店的室内外装饰中，为增强商店对顾客的吸引力，刺激起顾客的购买欲，商店装饰设计者常常会使用一些自然景物等非规则构件来美化商店的室内外环境，如假山，花草，树木，云彩等。

1 真实感绘制算法1.1 光照模型既是模拟物体表面的光照明物理现象的数学模型。

可以划分为简单的光照模型和整体的光照模型两类。

简单的光照明模型，假设物体是不透明的，只考虑光源的直接照射，而将光在物体之间的传播效果笼统地模拟为环境光。

可以处理物体之间光照的相互作用的模型即为整体的光照明模型。