光照模型

简单光照模型•模拟物体表面的光照物理现象的数学模型－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简单光照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，透射光决定了物体显示的颜色简单光照模型-环境光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。•光照方程（仅含环境光）：Ie=KaIaIe为物体表面所呈现的亮度。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4.0aK8.0aK0.1aI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•点光源的照射：在物体的不同部分其亮度也不同，亮度的大小依赖于物体的朝向及它与点光源之间的距离.简单光照模型-漫反射角度余弦的推导•漫反射–粗糙、无光泽物体（如粉笔）表面对光的反射–光照方程•漫反射的亮度•点光源的亮度•漫反射系数•入射角漫反射光的强度只与入射角有关]2,0[cosdpdKIIpIdKdI简单光照模型-漫反射•特点：–对光线沿各个方向作同等光强的散射–各点反射光的强度只与…有关•点光源强度、入射角•物体表面的反射系数•物体各面的朝向–而与…无关•观察者的观察位置简单光照模型-漫反射•将环境光与漫反射结合起来一般取Ia=(0.02~0.2)Id•例子)(NLKIKIIIIdpaade简单光照模型-漫反射缺点：对于许多物体，使用上式计算其反射光是可行的，但对于大多数的物体，如擦亮的金属、光滑的塑料等是不适用的，原因是这些物体还会产生镜面发射。简单光照模型-镜面反射•镜面反射–光滑物体（如金属或塑料）表面对光的反射•高光–入射光在光滑物体表面形成的特别亮的区域简单光照模型-镜面反射•理想镜面反射：入射光严格遵循光的反射定律单向地反射出去•观察者只能在反射方向上才能看到反射光，偏离了该方向则看不到任何光。简单光照模型-镜面反射•非理想镜面反射：在微观上物体表面面元是由许多朝向不同的微小平面组成，其镜面反射光分布于物面镜面反射方向的周围。•P为物体表面上一点，L为从P指向光源的单位矢量，N为单位法矢量，R为反射单位矢量，V为从P指向视点的单位矢量。I=IpKscosna理想镜面反射LNPRVLNPR粗糙表面的镜面反射一般光滑表面镜面反射LNPR简单光照模型-镜面反射•镜面反射•Is为镜面反射光强。Ip点光源的亮度–Ks是与物体有关的镜面反射系数。n为镜面反射指数，n越大，则Is随a的增大衰减的越快。–n的取值与表面粗糙程度有关。–n越大，表面越平滑（散射现象少，稍一偏离，明暗亮度急剧下降）–n越小，表面越毛糙（散射现象严重）nspsKIIcosnspsRVKII)(简单光照模型-镜面反射–反射方向计算–L在N上的投影矢量为Ncosu，则S+L=Ncosu记矢量S=Ncosu-L则有R=Ncosu+SLLNNLNR2cos2NRLVSS•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LNPR镜面反射简单光照模型-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–物体间作用用环境光(AmbientLight)–漫反射(DiffuseReflection)–镜面反射(SpecularReflection)真实感图形学早期发展•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•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模型简单光照模型-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。])()([nsdpaasdeRVKNLKIKIIIII简单光照模型-Phong光照模型的实现•对物体表面上的每个点P，均需计算光线的反射方向。为了减少计算量，假设：–光源在无穷远处，L为常向量–视点在无穷远处，V为常向量–（H•N）近似（R•V），H为L与V的平分向量NHLRaVbH----L和V的角平分线•对所有的点总共只需计算一次H的值，节省了计算时间简单光照模型-Phong光照模型•Phong模型几何PLNHRVPhong模型示例_1理想漫反射环境光+境面反射+=Phong光照明模型的综合表述：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、理想漫反射光强、和镜面反射光的总和。Phong模型示例_2Phong光照模型的不足•Phong光照模型是真实感图形学中提出的第一个有影响的光照模型•经验模型，Phong模型存在不足：–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–镜面反射大入射角失真现象7.3.6整体光照模型简单光照模型（亦称局部光照模型）不考虑周围环境对当前景物表面的光照影响，忽略了光在环境景物之间的传递，很难表现自然界复杂场景的高质量真实感图形。为了增加图形的真实感，必须考虑环境的漫射、镜面反射和规则投射对景物表面产生的整体照明效果。7.3.6整体光照模型•物体表面入射光的构成（1）光源直接照射（2）其它物体的反射光（3）透射光•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）