光照模型文稿演示
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9.2简单光照模型
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一、Phong光照模型
在实际的应用中，由于Phong光照模型是一个经验模型， 因此还具有以下的一些问题： –显示出的物体象塑料，无质感变化 –没有考虑物体间相互反射光 –镜面反射颜色与材质无关 –镜面反射入射角大，会产生失真现象
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三、背景物理知识
镜面反射光：一束光照射到一面镜子上或不绣钢的表面，光 线会沿着反射光方向全部反射出去，这种叫镜面反射光。 折射光：比如水晶、玻璃等，光线会穿过去一直往前走。 吸收光：比如冬天晒太阳会感觉到温暖，这是因为吸收了太 阳光。
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二、光照模型的发展演化
1、早期发展 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（第一个可用的光照模型）。这篇文章发表 在 Communication of ACM 上。 1971年，Gouraud提出漫反射模型加插值的思想（漫反射 的意思是光强主要取决于入射光的强度和入射光与法线的夹 角）发表在 IEEE Transactions on Computers 上。 1975年，Phong提出图形学中第一个最有影响的光照明模型 。在漫反射模型的基础上加进了高光项。
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三、背景物理知识
1、光的传播规律 反射定律：入射角等于反射角，而且反射光线、入射光 线与法向量在同一平面上。
光照模型
• 1975年，Phong提出图形学中第一个有影
简单光照模型-Phong光照模型
• Phong光照模型的综合表述：由物体表面上 一点P反射到视点的光强I为环境光的反射 光强Ie、理想漫反射光强Id、和镜面反射光 Is的总和。
I Ie Id Is
I a Ka I p [ Kd ( L N ) K s (V R)n ]
简单光照模型- 环境光例子
• 具有不同环境光反射系数的两个球
I a 1.0
Ka 0.4
Ka 0.8
简单光照模型-环境光
• 缺点：虽然不同的物体具有不同的亮度， 但是同一物体的表面的亮度是一个恒定 的值，没有明暗的自然过度。
简单光照模型
• 考虑引入点光源。
• 点光源：几何形状为一个点，位于空间中的某 个位置，向周围所有的方向上辐射等强度的光。 记其亮度为Ip
L S N S R
V
简单光照模型-镜面反射
• 镜面反射光特点
– 空间分布具有一定方向性 – 光强不仅取决于入射光和表面材料，还与观察方向
有关 – 具有与入射光相同的性质
N R L
P
镜面反射
简单光照模型-Phong光照模型
• 简单光照模型模拟物体表面对光的反射 作用,光源为点光源 • 反射作用分为
• 局部光照模型仅考虑了（1）
7.3.6 整体光照模型
• 例如：从视点观察到的物体A表 面的亮度来源于三方面的贡献： （1）光源直接照射到A的表面，然 后被反射到人眼中的光产生的。 （2）光源或其它物体的光经A物体 折射到人眼中的光产生的。 （3）物体B的表面将光反射到物体 A的表面，再经物体A的表面反射 到人眼中产生的。 • 局部光照模型仅考虑了（1）
光照模型
一、颜色模型简介★色彩感知● 视觉三原色理论（红，绿，蓝）● 视觉对立色彩理论(明暗，红绿，蓝黄)★加色法和减色法(a) RGB(RGBA)-黑色背景：屏幕，投影仪(b) CMY(CMYK)-白色背景：打印机，电影★ RGB 颜色的表示⊕32位(RGBA)或24位(RGB)真彩色(BMP)⊕压缩模型(GIF, JPEG)★色调，饱和度和亮度(HSL 体系)⊕色调(色度)：颜色⊕亮度(强度)：颜色的明亮程度⊕饱和度(色浓度)：单纯色与白色的对比度二、Phone 光照模型 ★光照和着色可使图形看起来更真实、易理解。
还可提供表面曲率和朝向信息，在形成图形的三维观感方面非常重要。
★通过分别指定光源位置和属性，及物体表面材质，来产生相应的光照、颜色和明暗变化。
★光照模型的要素 ●漫反射，镜面反射，环境反射和发射光● 多种光源和颜色● Gouraud 和Phong 渲染● 表面法向，仿射变换和法向量●Phong 光照模型的核心是一个光线如何从表面反射的模型。
⊕所有光源都建模为点光源⊕光有三个颜色分量(红、绿、蓝)● 叠加原理：可以对每个光源和每个颜色分量单独计算反射光强。
● 两种反射：漫反射；镜面反射● 三种光照：漫反射光；镜面反射光；环境光● 四种表面材料属性：镜面反射属性； 漫反射属性，环境反射属性，发射属性★漫反射光强★Gouraud 渲染是简单的线性插值; Phong 渲染是带法向量的归一化线性插值。
★消隐的本质和必要性。
●视觉特征●计算量的减少★深度缓存的作用●存储量的减少漫反射系数:d五、纹理映射★通过修改表面法向的“高度纹理” 达到该效果。
六、光线跟踪简介基本思想是跟踪三维场景中光线行进路径。
跟踪方向为：观察者->物体->反(透)射->光源。
基本方法有：反射，阴影，透明和折射。
第章真实感图形显示光照模型PPT课件
n值取得大，从而
产生会聚的高光点.
n与高光区域大小的关系
三、透射光线的情况
• 透射模型如下：
其中：
EPt = TPIPb
Ept：物体表面P点处透射出的光强. TP：P点的透射系数(取值范围为0~1). Ipb：到达P点背后的光强。
SUCCESS
THANK YOU
2020/10/1
• 将上述3种情况综合起来，便获得物体表
Rx= -Lx; Ry= -Ly; Rz=Lx。
3. 作一逆变换T-1，即可求原坐标系中的R之方向。
这个方法运算简单，但物体表面上每点的法 线方向随物体形状变化而变化，所以每点都 要进行新的变换T。
Phong方法求R
1. 先作一变换T，使得坐标原点移至物体表面的 P点，z轴指向光线入射方向L的反方向。
计算实例
有一正方体其8个顶点ABCDA’B’C’D’的坐标 依次为：{{200,200,100}, {200,300,100}, {300,300,100}, {300,200,100}, {200,200,0}, {200,300,0}, {300,300,0},{300,200,0}}，有 一平行光源L的光照方向为(0,-1,-1)，视线方向 V为(0,-1,-1)，正方体表面的漫反射系数R=0.1， 镜面反射系数W=0.5，光源强度I=1。用Phong方 法计算反射方向R，并用直线光线模型计算沿视 线方向V所看到的P(250,250,100)这一点的光强。
面P点处所发光强EP的计算公式：
EP=EPd+EPs+EPt
=
RPId+(RPcos
s)IPs+TPIpb
i+WPcosn
•
cos
产生会聚的高光点.
n与高光区域大小的关系
三、透射光线的情况
• 透射模型如下：
其中：
EPt = TPIPb
Ept：物体表面P点处透射出的光强. TP：P点的透射系数(取值范围为0~1). Ipb：到达P点背后的光强。
SUCCESS
THANK YOU
2020/10/1
• 将上述3种情况综合起来，便获得物体表
Rx= -Lx; Ry= -Ly; Rz=Lx。
3. 作一逆变换T-1，即可求原坐标系中的R之方向。
这个方法运算简单，但物体表面上每点的法 线方向随物体形状变化而变化，所以每点都 要进行新的变换T。
Phong方法求R
1. 先作一变换T，使得坐标原点移至物体表面的 P点，z轴指向光线入射方向L的反方向。
计算实例
有一正方体其8个顶点ABCDA’B’C’D’的坐标 依次为：{{200,200,100}, {200,300,100}, {300,300,100}, {300,200,100}, {200,200,0}, {200,300,0}, {300,300,0},{300,200,0}}，有 一平行光源L的光照方向为(0,-1,-1)，视线方向 V为(0,-1,-1)，正方体表面的漫反射系数R=0.1， 镜面反射系数W=0.5，光源强度I=1。用Phong方 法计算反射方向R，并用直线光线模型计算沿视 线方向V所看到的P(250,250,100)这一点的光强。
面P点处所发光强EP的计算公式：
EP=EPd+EPs+EPt
=
RPId+(RPcos
s)IPs+TPIpb
i+WPcosn
•
cos
基于物理的光照明模型
计算机图形学
1.1 基本光照模型
• 在光度学中，光被看成 是沿着光线流动的光能 流，它遵守几何光学上 的能量守恒定律，即在 单位时间内通过一光线管中任一截面的能量是恒定的。我 们把单位时间内通过某一面积 的光能称为通过该面积的 光通量，记为dS 。光能流沿立体锥角传播，这个立体锥角 称为立体角 dP（如图12.10）。
• 3. Fresnel项F
F项取决于表面材料的性质，并与光波长有关， 是表面材料性质和波长的函数，这使得镜面高光 具有与入射光不同的光谱。
F项可以在非偏振入射光和完全镜面反射表面的 条件下，根据 Fresnel方程推出
F
1 2
sin 2 (
s
in
2
(
) )
tan2 ( tan2 (
)
)
其中： arccos(L H)为入射角， 为折射角。
G 1 m /l
N
L
H
V
H L
VN
N
L
H
V
l
l
l
（a）无影响
（b）遮挡效应
（c）屏蔽效应
图 12.15 由于V型槽一侧平面屏蔽和遮挡而引起的几何衰变
对于屏蔽效应
a d/ sin α b d/tanα
N L
H
c d tan( )
b
c
V
α
α
(b c) d ( 1 tan( )) d a l
1.3 Cook-Torrance光照明模型
Sj
dSi
dSj
θj
r
Nj
图12.12 光通量示意图
1.1 基本光照模型
• 设面元 向观察dS方i 向V的立体角 内辐射d的光强度为J， 的法线方向和辐射方d向Si V的夹角为 ，如图12.13，dω
1.1 基本光照模型
• 在光度学中，光被看成 是沿着光线流动的光能 流，它遵守几何光学上 的能量守恒定律，即在 单位时间内通过一光线管中任一截面的能量是恒定的。我 们把单位时间内通过某一面积 的光能称为通过该面积的 光通量，记为dS 。光能流沿立体锥角传播，这个立体锥角 称为立体角 dP（如图12.10）。
• 3. Fresnel项F
F项取决于表面材料的性质，并与光波长有关， 是表面材料性质和波长的函数，这使得镜面高光 具有与入射光不同的光谱。
F项可以在非偏振入射光和完全镜面反射表面的 条件下，根据 Fresnel方程推出
F
1 2
sin 2 (
s
in
2
(
) )
tan2 ( tan2 (
)
)
其中： arccos(L H)为入射角， 为折射角。
G 1 m /l
N
L
H
V
H L
VN
N
L
H
V
l
l
l
（a）无影响
（b）遮挡效应
（c）屏蔽效应
图 12.15 由于V型槽一侧平面屏蔽和遮挡而引起的几何衰变
对于屏蔽效应
a d/ sin α b d/tanα
N L
H
c d tan( )
b
c
V
α
α
(b c) d ( 1 tan( )) d a l
1.3 Cook-Torrance光照明模型
Sj
dSi
dSj
θj
r
Nj
图12.12 光通量示意图
1.1 基本光照模型
• 设面元 向观察dS方i 向V的立体角 内辐射d的光强度为J， 的法线方向和辐射方d向Si V的夹角为 ，如图12.13，dω
光照模型——精选推荐
光照模型光源类型定向光当⼀个光源很远的时候，来⾃光源的每条光线接近于平⾏。
这看起来就像所有的光线来⾃于同⼀个⽅向，⽆论物体和观察者在哪⼉。
当⼀个光源被设置为⽆限远时，它被称为定向光(Directional Light)，因为所有的光线都有着同⼀个⽅向；它会独⽴于光源的位置。
//光源位置第四个参数 0.0 平⾏光 1.0 点光源light->setPosition(osg::Vec4(0.0, 0.0, 0.0, 0.0));//光源⽅向light->setDirection(osg::Vec3(0.0, 0.0, -1.0));点光点光是⼀个在时间⾥有位置的光源，它向所有⽅向发光，光线随距离增加逐渐变暗。
//光源位置第四个参数 0.0 平⾏光 1.0 点光源light->setPosition(osg::Vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0));//设置恒定衰减系数light->setConstantAttenuation(1.0);//设置⼀次衰减系数light->setLinearAttenuation(0.7);//设置⼆次衰减系数light->setQuadraticAttenuation(1.8);聚光聚光是⼀种位于环境中某处的光源，它不是向所有⽅向照射，⽽是只朝某个⽅向照射。
结果是只有⼀个聚光照射⽅向的确定半径内的物体才会被照亮，其他的都保持⿊暗。
//光源位置第四个参数 0.0 平⾏光 1.0 点光源light->setPosition(osg::Vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0));//光源⽅向light->setDirection(osg::Vec3(0.0, 0.0, -1.0));//光强度分布light->setSpotExponent(1.0);//扩散⾓light->setSpotCutoff(45.0);光照基础冯⽒光照模型(Phong Lighting Model)的主要结构由3个元素组成：环境(Ambient)、漫反射(Diffuse)和镜⾯(Specular)光照。
第九讲光照明模型
– Flat shading
• 在一个多边形内采用恒定强度
– Gouraud shading
• 计算网格顶点的光亮度值 • 通过双线性插值得到网格内部顶点光亮度值
– Phong shading
• 计算网格顶点的法向量 • 通过双线性插值得到网格内部顶点的法向量 • 计算各点的光亮度值
三种明暗处理方法的对比
GPU实现的光线跟踪
• nVidia Optix framework built on top of CUDA
– CUDA is a parallel computing platform for nVidia GPUs – Allows C/C++ and Fortran code to be compiled and run on nVidia GPUs – Optix is a programmable ray tracing framework that allows developers to quickly build ray tracing applications
光线跟踪加速
• 90%的计算用于相交测试 • 加速相交测试和相交计算？
– 加速数据结构
• 并行？
– 似乎可以并行，每个像素点的光线是独立的 – 困难
• 复杂的场景数据 • 复杂的递归跟踪 • 大量的浮点数计算
– 可在拥有多CPU的集群上并行
实时光线跟踪
• GPU上的光线跟踪
– Nvidia Kepler architecture capable of real time ray tracing • Demo at GTC 2012: http://youtu.be/h5mRRElXyw?t=2m5s
• 在一个多边形内采用恒定强度
– Gouraud shading
• 计算网格顶点的光亮度值 • 通过双线性插值得到网格内部顶点光亮度值
– Phong shading
• 计算网格顶点的法向量 • 通过双线性插值得到网格内部顶点的法向量 • 计算各点的光亮度值
三种明暗处理方法的对比
GPU实现的光线跟踪
• nVidia Optix framework built on top of CUDA
– CUDA is a parallel computing platform for nVidia GPUs – Allows C/C++ and Fortran code to be compiled and run on nVidia GPUs – Optix is a programmable ray tracing framework that allows developers to quickly build ray tracing applications
光线跟踪加速
• 90%的计算用于相交测试 • 加速相交测试和相交计算？
– 加速数据结构
• 并行？
– 似乎可以并行，每个像素点的光线是独立的 – 困难
• 复杂的场景数据 • 复杂的递归跟踪 • 大量的浮点数计算
– 可在拥有多CPU的集群上并行
实时光线跟踪
• GPU上的光线跟踪
– Nvidia Kepler architecture capable of real time ray tracing • Demo at GTC 2012: http://youtu.be/h5mRRElXyw?t=2m5s
《真实感光照效果》幻灯片PPT
•Ray-tracing easier to implement
14
Ray-Tracing: Why Use It?
Simulate rays of light Produces natural lighting effects Reflection
Fall 2021
15
Ray-Tracing: Why Use It?
5
Locally illuminated test scene.
Phong shading. Ambient, diffuse and Specular terms.
Notes : • Highlight on wall from light is in the wrong place
6
Comparison.
Flat
Gouraud
Phong
Coarser mesh
7
Use Local illumination.
• No. • In our test scene, we can’t represent :
✓ Mirror ✓ Chrome teapot. ✓ Shiny floor ✓ Shadows • with local illumination.
R
2
N2 R
1
L2
T3
T1 N3
R
3
N1
L1
L3
Eye
L1
R
T1
1
L2
L3
Ni surface normal Eye
R
2
R
T3
3
Ri reflected ray
Li shadow ray Ti transmitted (refracted) ray
14
Ray-Tracing: Why Use It?
Simulate rays of light Produces natural lighting effects Reflection
Fall 2021
15
Ray-Tracing: Why Use It?
5
Locally illuminated test scene.
Phong shading. Ambient, diffuse and Specular terms.
Notes : • Highlight on wall from light is in the wrong place
6
Comparison.
Flat
Gouraud
Phong
Coarser mesh
7
Use Local illumination.
• No. • In our test scene, we can’t represent :
✓ Mirror ✓ Chrome teapot. ✓ Shiny floor ✓ Shadows • with local illumination.
R
2
N2 R
1
L2
T3
T1 N3
R
3
N1
L1
L3
Eye
L1
R
T1
1
L2
L3
Ni surface normal Eye
R
2
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T3
3
Ri reflected ray
Li shadow ray Ti transmitted (refracted) ray
整体光照模型与光线跟踪.ppt
2021/3/17
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此时，光线在离视点最近的景物表面交点处的走向有以下三种可能： 1) 当前交点所在的景物表面为理想漫射面。跟踪结束。 2) 当前所在的景物表面为理想镜面．光线沿其镜面反射方向继续跟踪。 3) 当前交点所在的景物表面为规则透射面．光线沿其规则透射方向继续 跟踪。
显然，上述过程是一个递归跟踪过程。 对每一根穿过屏幕象素中心的光线的跟踪 构成了一棵二叉树。
面反射光。简单光透射模 型把透射光分为理想漫透 射和规则透射。
由光源发出的光称为直接光，物体对直接光的反射或折 射称为直接反射和直接折射。
把物体表面间对光的反射和折射称为间接光、间接反射、 间接折射。这是光线在物体间的传播方式，是光线跟踪算法 的基础。
2021/3/17
18
最基本的光线跟踪算法是跟踪镜面反射和折射。
对于上述的这些问题，就必须要有一个更精确的光照明模型。 整体光照明模型就是这样的一种模型，它是相对于局部光照明模 型而言的。在现有的整体光照明模型中，主要有光线跟踪和辐射 度两种绘制方法。
2021/3/17
16
4.0 光线跟踪算法的基本思想
光线跟踪算法是真实感图形学中的主要算法之一， 算法具有原理简单、实现方便和能够生成各种逼真的视 觉效果等优点。
图 镜面反射光
Ks是与物体有关的镜面反射系数，α为视线方向V与反射方向R 的夹角，n为反射指数，反映了物体表面的光泽程度，一般为1～ 2000，数目越大物体表面越光滑。
2021/3/17
10
镜面反射光将会在反射方向附近形成很亮的光斑，称为高光 现象。
镜面反射光产生的高光区域只反映光源的颜色 将V和R都格式化为单位向量， 镜面反射光强可表示为：
1.0光照效果影响因素
光照计算机图形学
点光源模型是对场景中比对象小得多的光源的合理逼近,离 场景不是太近的大光源也可以利用点光源模型来模拟,
光照模型中点光源的位置用来确定场景中哪些对象由该光源 照明,并计算到选定对象表面位置的光线方向,
无穷远光源
离场景非常远的大型光源也可以用一个发光体逼近,但在方向效果上有 所不同,其不同点就在于从远距离光源到场景中任一未知的光线路径接 近不变,
作为向量L的方向,
在球面应用时,漫反射系数Kd 在0到1的范 围内选定, Kd =0时,没有反射光且对象表面表现
为黑色,增大漫反射强度随之增强,效果由深变浅,
环境光反射系数Ka = 0
组合环境光和点光源的强度计算,可以得到在一个表面位置的全部漫 反射表达,在许多软件中一般认为指定环境光反射系数Ka来修改环境光强 度Ia,使用参数Ka,可以将单个点光源的全部反射公式表示为：
Phong Bui Tuong曾提出一个计算镜面 范围的经验公式,称为Phong镜面反射模型,
反射光强度与cosns成正比, 00 ~900 镜面反射参数ns的值由要显示的表面材质决定 光滑表面ns值较大,粗糙表面ns较小,理想反射器 ns是无限的,
光亮表面 大的ns
镜面反射角等于入射角
暗淡表面 小的ns
光源 表面光照效果 环境光 漫反射 镜面反射和Phong模型 漫反射和镜面反射的合并 多光源的漫反射和镜面
光照模型
光照模型的定义:
模拟物体表面的光照物理现象的数学模型就叫做的光照模型
简单光照模型亦称局部光照模型,其假定物体是不透明的,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称为整体光照模型
单位方向向量为L ,cos u = N•L 而一个点光源在表面
光照模型中点光源的位置用来确定场景中哪些对象由该光源 照明,并计算到选定对象表面位置的光线方向,
无穷远光源
离场景非常远的大型光源也可以用一个发光体逼近,但在方向效果上有 所不同,其不同点就在于从远距离光源到场景中任一未知的光线路径接 近不变,
作为向量L的方向,
在球面应用时,漫反射系数Kd 在0到1的范 围内选定, Kd =0时,没有反射光且对象表面表现
为黑色,增大漫反射强度随之增强,效果由深变浅,
环境光反射系数Ka = 0
组合环境光和点光源的强度计算,可以得到在一个表面位置的全部漫 反射表达,在许多软件中一般认为指定环境光反射系数Ka来修改环境光强 度Ia,使用参数Ka,可以将单个点光源的全部反射公式表示为：
Phong Bui Tuong曾提出一个计算镜面 范围的经验公式,称为Phong镜面反射模型,
反射光强度与cosns成正比, 00 ~900 镜面反射参数ns的值由要显示的表面材质决定 光滑表面ns值较大,粗糙表面ns较小,理想反射器 ns是无限的,
光亮表面 大的ns
镜面反射角等于入射角
暗淡表面 小的ns
光源 表面光照效果 环境光 漫反射 镜面反射和Phong模型 漫反射和镜面反射的合并 多光源的漫反射和镜面
光照模型
光照模型的定义:
模拟物体表面的光照物理现象的数学模型就叫做的光照模型
简单光照模型亦称局部光照模型,其假定物体是不透明的,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称为整体光照模型
单位方向向量为L ,cos u = N•L 而一个点光源在表面
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➢ 光是来自四面八方的。
这种光产生的效应简化为它在各个方向都有均匀的光
强度Ia，
➢ 某一个可见物体在仅有环境光照明的条件下， 其上各点明暗程度完全一样，分不出哪个地方亮， 哪个地方暗。
环境反射光亮度可表示为：
I I paka
➢ Ia为物体的环境光反射亮度，
➢ Ipa为环境光亮度，
➢ ka为物体表面的环境光反射系数(0≤ka≤1)
计算波长比例要涉及到光谱分析和光谱到颜色的转换， 在计算机图形学中，我们不用这种方法来计算，而是 采用较为简单的方法来计算物体的颜色值。也就是一 些简单的光照模型。
光的特性
❖可见光波段中每一频率对应一种单独的颜色, 其低频率端是红色,高频率端是紫色 。从低 频到高频的光谱颜色变化分别是红，橙，黄， 绿，蓝，青和紫。
光照模型文稿演示
优选光照模型
根据光学、物理学的知识，物体表面呈现的颜色是 由表面向视线方向辐射的光能决定的。
若物体表面向视线方向辐射的光中等量包含了所有波 长的可见光， 则物体表面将呈现白色、灰色或黑色，即为非彩色； 否则表面将呈现彩色。
当光照到一个物体表面上时会产生反射光、透射光 和转换成热量。 其中，反射光和透射光的强弱决定了物体表面的明 暗程度， 而这些光中所含不同波长光的比例则决定了物体表 面的颜色。
建模
投影变换
可见性计算
可见面颜色
用数学方法建 立所构造三维 场景的几何描 述，并将他们 输入计算机， 这部分工作可 由三维立体造 型或曲面造型 系统来完成
将三维几 何描述转 化为二维 透视图， 这可通过 对场景的 透射变化 来完成
确定场景中 的所有可见 面，这需要 使用隐藏面 消除算法将 视域之外或 被其他物体 遮挡的不可 见面消去。
➢空间光亮度分布 在计算机图形学中，认为光源通常朝空间各个方
向发射的光强是相同的。但实际情况常常不是这样， 例如遮挡。
9.1.2 材 质
➢材质的颜色是由它所反射的光的波长决定 ➢如果光线被投射至一个不透明的物体表面，则部分 光线被反射，部分被吸收
✓物体表面的材质类型决定了反射光的强弱 ✓表面光滑较亮的材质将反射较多的入射光，而较 暗的表面则吸收较多的入射光。 ➢同样对于一个半透明物体的表面，部分入射光会被 反射，而另一部分则被折射。
RGB模型
❖ Ｒ、Ｇ、Ｂ分别取值0－1，0－255
ＲＧＢ彩色模型也称为加色模型, 色彩来源于红、绿、蓝3种基本 色的不同亮度的叠加,故称加色 模型。 它主要用来描述发光设备,如显 示器、电视机、扫描仪等装置所 表现的颜色。
三基色示意图
9.1 简单光照明模型
用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感图形必 须完成四个基本的任务
•可用光的波长(λ)或频率（f）来表示各种颜 色。
❖除频率和波长以外，描述光的各种性质还 需要其它一些特征。其中一组特征便是亮 度和明度。
❖物体表面的亮度与其周围环境的亮度无关。
❖表面的明度即人眼感知到的亮度与其周围 环境的亮度相关。
❖ 具有恒定亮度的物体， 当将其置于不同环境 时，它的明度不同。
光照明模型
➢简单光照明模型
✓仅考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照 效果 ✓景物表面通常被假定为不透明，且具有均匀反 射率 ✓能表现由光源直接照射在漫射表面上形成的连 续明暗色调，镜面上的高光以及由于景物互相遮 挡而形成的阴影等
光照明模型
光照效果
光照明模型
一个光照的球体
光照产生的场景
9.1.3 简单光照明模型
2. 漫反射光
➢ 漫反射分量表示特定点光源在景物表面某一点
的反射光中那些向空间各方向均匀反射出去的光，
➢ 表面对入射光在各个方向上都有强度相同的反 射，因而无论从哪个角度观察，这一点的光亮度 都是相同的。
Ipd
Ipdcosi
i
A B’ C’
B
C
➢这种反射光的计算用郎伯余弦定律
对于一个漫反射体，表面的反射光亮度和光源
Ipdcosi
i
A B’ C’
B
C
CB
A
B’ C’
(a)
(b)
简单漫反射模型用于球面
➢由于A点的光源入射角为零,故发出的光亮度最大(为Ipd)
➢而B和B’的光亮度就弱些。
➢由于C和C’的光源入射角为90。，故其表面光亮度为零。
➢球面的明暗过渡曲线如图 (b)所示
入射光
N
A
i N0 L0
漫反射光计算式
计算场 景中可 见面的 颜色。
9.1.1 光 源
➢光源称为发光体 ➢反射表面(如房屋的墙壁)则称为反射光源
光源
反射面
通常在一个不透明且不发光的物体表面所观察到的 光线是其反射光，它由光源与其他物体表面的反射 光所共同产生
光源的属性包括
➢光源的几何形状 点光源，线光源，面光源和体光源
➢光源向四周所辐射光的光谱分布 ✓漫反射: 粗糙物体表面往往将反射光向各个方向散射。物 体颜色实际上就是入射光线被漫反射后所表现出 来的颜色。 ✓镜面反射:磨光物体表面产生的高光或强光
入射角（入射光线和表面法向量的夹角）的余
弦成正比
Ipd
Id Ipdkd cois
Ipdcosi
➢Id为物体表面漫反射光的光亮度 ➢Ipd为光源垂直入射时反射B
C
➢kd为漫射系数，决定于表面材料及入射 光的波长(0≤kd≤1)
球面的漫反射
Ipd
光亮度 Ipd
❖假设物体不透明 ❖那么物体表面呈现的颜色仅由其反射光决定。 ❖反射光组成
➢环境反射
环境反射假定入射光均匀地从周围环境入射 至景物表面并等量地向各个方向反射出去
➢漫反射与镜面反射
漫反射分量和镜面反射分量则表示特定光源 照射在景物表面上产生的反射光。
1. 环境反射光
➢ 环境反射光是由环境光在邻近物体上经过多次 反射所产生的。
Id Ipdkd cois
可表示为:
IdIpk dd(N0•L0)
N0:物体表面单位法向量 L0:物体表面一点指向点
光源的单位向量
N L0 i N0
3. 镜面反射光
➢镜面反射光为朝一定方向的反射光。
❖ 光的另外一个特征就是 光的纯度（Purity）或 叫饱和度(Saturation)。
❖ 纯度说明光的颜色表现 得多纯。
❖ 淡的颜色说明不太纯。
颜色模型
❖ 所谓颜色模型指的是某个三维颜色空间中的一个可 见光子集，它包含某个颜色域的所有颜色。
❖ 采用颜色模型的目的是在某个颜色域中方便的指定 颜色。
这种光产生的效应简化为它在各个方向都有均匀的光
强度Ia，
➢ 某一个可见物体在仅有环境光照明的条件下， 其上各点明暗程度完全一样，分不出哪个地方亮， 哪个地方暗。
环境反射光亮度可表示为：
I I paka
➢ Ia为物体的环境光反射亮度，
➢ Ipa为环境光亮度，
➢ ka为物体表面的环境光反射系数(0≤ka≤1)
计算波长比例要涉及到光谱分析和光谱到颜色的转换， 在计算机图形学中，我们不用这种方法来计算，而是 采用较为简单的方法来计算物体的颜色值。也就是一 些简单的光照模型。
光的特性
❖可见光波段中每一频率对应一种单独的颜色, 其低频率端是红色,高频率端是紫色 。从低 频到高频的光谱颜色变化分别是红，橙，黄， 绿，蓝，青和紫。
光照模型文稿演示
优选光照模型
根据光学、物理学的知识，物体表面呈现的颜色是 由表面向视线方向辐射的光能决定的。
若物体表面向视线方向辐射的光中等量包含了所有波 长的可见光， 则物体表面将呈现白色、灰色或黑色，即为非彩色； 否则表面将呈现彩色。
当光照到一个物体表面上时会产生反射光、透射光 和转换成热量。 其中，反射光和透射光的强弱决定了物体表面的明 暗程度， 而这些光中所含不同波长光的比例则决定了物体表 面的颜色。
建模
投影变换
可见性计算
可见面颜色
用数学方法建 立所构造三维 场景的几何描 述，并将他们 输入计算机， 这部分工作可 由三维立体造 型或曲面造型 系统来完成
将三维几 何描述转 化为二维 透视图， 这可通过 对场景的 透射变化 来完成
确定场景中 的所有可见 面，这需要 使用隐藏面 消除算法将 视域之外或 被其他物体 遮挡的不可 见面消去。
➢空间光亮度分布 在计算机图形学中，认为光源通常朝空间各个方
向发射的光强是相同的。但实际情况常常不是这样， 例如遮挡。
9.1.2 材 质
➢材质的颜色是由它所反射的光的波长决定 ➢如果光线被投射至一个不透明的物体表面，则部分 光线被反射，部分被吸收
✓物体表面的材质类型决定了反射光的强弱 ✓表面光滑较亮的材质将反射较多的入射光，而较 暗的表面则吸收较多的入射光。 ➢同样对于一个半透明物体的表面，部分入射光会被 反射，而另一部分则被折射。
RGB模型
❖ Ｒ、Ｇ、Ｂ分别取值0－1，0－255
ＲＧＢ彩色模型也称为加色模型, 色彩来源于红、绿、蓝3种基本 色的不同亮度的叠加,故称加色 模型。 它主要用来描述发光设备,如显 示器、电视机、扫描仪等装置所 表现的颜色。
三基色示意图
9.1 简单光照明模型
用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感图形必 须完成四个基本的任务
•可用光的波长(λ)或频率（f）来表示各种颜 色。
❖除频率和波长以外，描述光的各种性质还 需要其它一些特征。其中一组特征便是亮 度和明度。
❖物体表面的亮度与其周围环境的亮度无关。
❖表面的明度即人眼感知到的亮度与其周围 环境的亮度相关。
❖ 具有恒定亮度的物体， 当将其置于不同环境 时，它的明度不同。
光照明模型
➢简单光照明模型
✓仅考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照 效果 ✓景物表面通常被假定为不透明，且具有均匀反 射率 ✓能表现由光源直接照射在漫射表面上形成的连 续明暗色调，镜面上的高光以及由于景物互相遮 挡而形成的阴影等
光照明模型
光照效果
光照明模型
一个光照的球体
光照产生的场景
9.1.3 简单光照明模型
2. 漫反射光
➢ 漫反射分量表示特定点光源在景物表面某一点
的反射光中那些向空间各方向均匀反射出去的光，
➢ 表面对入射光在各个方向上都有强度相同的反 射，因而无论从哪个角度观察，这一点的光亮度 都是相同的。
Ipd
Ipdcosi
i
A B’ C’
B
C
➢这种反射光的计算用郎伯余弦定律
对于一个漫反射体，表面的反射光亮度和光源
Ipdcosi
i
A B’ C’
B
C
CB
A
B’ C’
(a)
(b)
简单漫反射模型用于球面
➢由于A点的光源入射角为零,故发出的光亮度最大(为Ipd)
➢而B和B’的光亮度就弱些。
➢由于C和C’的光源入射角为90。，故其表面光亮度为零。
➢球面的明暗过渡曲线如图 (b)所示
入射光
N
A
i N0 L0
漫反射光计算式
计算场 景中可 见面的 颜色。
9.1.1 光 源
➢光源称为发光体 ➢反射表面(如房屋的墙壁)则称为反射光源
光源
反射面
通常在一个不透明且不发光的物体表面所观察到的 光线是其反射光，它由光源与其他物体表面的反射 光所共同产生
光源的属性包括
➢光源的几何形状 点光源，线光源，面光源和体光源
➢光源向四周所辐射光的光谱分布 ✓漫反射: 粗糙物体表面往往将反射光向各个方向散射。物 体颜色实际上就是入射光线被漫反射后所表现出 来的颜色。 ✓镜面反射:磨光物体表面产生的高光或强光
入射角（入射光线和表面法向量的夹角）的余
弦成正比
Ipd
Id Ipdkd cois
Ipdcosi
➢Id为物体表面漫反射光的光亮度 ➢Ipd为光源垂直入射时反射B
C
➢kd为漫射系数，决定于表面材料及入射 光的波长(0≤kd≤1)
球面的漫反射
Ipd
光亮度 Ipd
❖假设物体不透明 ❖那么物体表面呈现的颜色仅由其反射光决定。 ❖反射光组成
➢环境反射
环境反射假定入射光均匀地从周围环境入射 至景物表面并等量地向各个方向反射出去
➢漫反射与镜面反射
漫反射分量和镜面反射分量则表示特定光源 照射在景物表面上产生的反射光。
1. 环境反射光
➢ 环境反射光是由环境光在邻近物体上经过多次 反射所产生的。
Id Ipdkd cois
可表示为:
IdIpk dd(N0•L0)
N0:物体表面单位法向量 L0:物体表面一点指向点
光源的单位向量
N L0 i N0
3. 镜面反射光
➢镜面反射光为朝一定方向的反射光。
❖ 光的另外一个特征就是 光的纯度（Purity）或 叫饱和度(Saturation)。
❖ 纯度说明光的颜色表现 得多纯。
❖ 淡的颜色说明不太纯。
颜色模型
❖ 所谓颜色模型指的是某个三维颜色空间中的一个可 见光子集，它包含某个颜色域的所有颜色。
❖ 采用颜色模型的目的是在某个颜色域中方便的指定 颜色。