本文整理自西安交通大學軟件學院祝繼華老師的計算機圖形學課件，請勿轉載

文章目錄

• • 基礎概念
  • • 光源
    • 材質
  • Phong光照明模型
  • • Phong模型中的幾何量示意圖
    • 理想漫反射
    • 鏡面反射
    • 環境光
    • 評價
  • 增量式光照明模型
  • • Gouraud雙線性光強插值
    • • 算法步驟的基本描述
      • 頂點的計算
      • 頂點平均光強計算
      • 雙線性光強插值
      • 增量算法
      • 評價
    • Phong雙線性法向插值
    • • 特點
    • 兩種模型對比

基礎概念

光源

發光體即為光源

• 發射光源：反射表面
  • 通常在一個不透明且不發光的物體表面所觀察到的光線是其反射光，由光源與其他物體表面的反射光所共同產生。
• 光源向四周所輻射光的光譜分布
  • 漫反射：投射在粗糙表面上的光向各個方向反射的現象。物體顏色實際上是入射光線被漫反射后所表現出來的顏色；
  • 鏡面反射：一束平行光射到平面鏡上,反射光是平行的 。
• 空間的光亮度分布
  • 圖形學：光源通常朝空間各個方向發射的光強是相同的

材質

• 材質的顏色是由它所反射的光的波長決定；
• 如果光線被投射到一個不透明的物體表面，則部分光線被反射，部分被吸收：
  • 物體表面的材質類型決定了反射光的強弱；
  • 表面光滑較亮的材質將反射較多的入射光，比較暗的表面則吸收較多的入射光。
• 對于一個半透明的物體表面，部分入射光會被反射，部分則被折射。

光照射到物體表面，可能被吸收、反射和透射

• 被吸收的部分轉化為熱；
• 反射、透射光進入人的視覺系統。

光照明模型：模擬物體表面的光照明物理現象的數學模型

簡單光照明模型：

• 只考慮光源對物體的直接光照；
• 景物表面常被假定為不透明，且具有均勻反射率；
• 能表現由光源直接照射在漫射表面上形成的連續明暗色調，鏡面上的高光以及由于景物互相遮擋而形成的陰影等

Phong光照明模型

光照到物體表面時，物體對光會發生反射、透射、吸收、衍射、折射和干涉

簡單光照明模型模擬物體表面對光的反射作用。

• 光源為點光源；
• 反射作用分為：鏡面反射和漫反射；
• 物體間作用用環境光(Ambient Light)表示；
• 典型：Phong光照明模型

Phong模型中的幾何量示意圖

理想漫反射

當光源來自一個方向時，由于物體表面粗糙不平，導致反射光均勻向各方向傳播，而與視點無關

鏡面反射

理想鏡面：反射光集中在一個方向并遵循反射定律。

光滑表面：反射光集中在一個范圍內，且由反射定律決定的反射方向光強最大。對于同一點，不同位置觀察到的鏡面反射光強不同。

• 鏡面反射光將會在反射方向附近形成很亮的光斑，稱為高光現象
• 鏡面反射光產生的高光區域只反映光源的顏色；
• 鏡面反射系數 是一個與物體的顏色無關的參數；
• 只能通過改變物體的漫反射系數來控制物體的顏色

環境光

光源間接對物體施加的明暗影響，是在物體和環境之間多次反射，最終達到平衡時的一種光

同一環境下的環境光光強均勻分布，即在任一方向上的分布相同

Phong光照明模型：由物體表面上一點P反射到視點的光強$I$為環境光的反射光強$I_e$、理想漫反射光強$I_s$和鏡面反射光$T_d$的總和

評價

• Phong光照明模型：真實感圖形學中提出的第一個有影響的光照明模型,生成圖像的真實度已達到可以接受的程度。
• 由于是經驗模型，Phong模型存在不足：
  • 顯示出的物體象塑料，無質感變化；
  • 環境光是常量，沒有考慮物體間相互反射光；
  • 鏡面反射顏色是光源顏色，與材質無關；
  • 鏡面反射的計算在入射角很大時會產生失真現象

增量式光照明模型

用多邊形表示的物體

• 每個多邊形由于法向一致，多邊形內部顏色相同；
• 不同法向的多邊形鄰接處光強突變且有馬赫帶效應

增量式光照明模型：

• 在每個多邊形頂點處計算光照明強度或參數，然后在各個多邊形內部進行雙線性插值，得到多邊形光滑均勻顏色分布；
• 保證多邊形之間的顏色光滑過渡。

兩個主要算法

• 雙線性法向插值：Phong明暗處理
• 雙線性光強插值：Gouraud明暗處理

Gouraud雙線性光強插值

思想：計算多邊形各頂點的光強，再用雙線性插值，求出多邊形內部各點的光強。

算法步驟的基本描述

• 計算多邊形頂點的平均法向；
• 用簡單光照明模型計算頂點的平均光強；
• 插值計算離散多邊形邊上的各點光強；
• 插值計算多邊形內域中各點的光強

頂點的計算

與某個頂點相鄰的所有多邊形的法向平均值近似作為該頂點的近似法向量；

頂點A相鄰的多邊形有k個，它的法向量計算為：

計算出的平均法向一般與該多邊形物體近似曲面的切平面比較接近

頂點平均光強計算

用Phong光照明模型及平均法向量計算在頂點A處的光強

雙線性光強插值

線性插值與掃描線算法相互結合，用增量算法實現各點光強的計算

由頂點的光強插值計算各邊的光強，然后由各邊的光強插值計算出多邊形內部點的光強

增量算法

評價

• 計算速度比以往的簡單光照明模型有了很大的提高，解決了相鄰多邊形之間的顏色突變問題，產生的真實感圖象顏色過渡均勻，圖形顯得非常光滑；
• 由于采用光強插值，鏡面反射效果不太理想，而且相鄰多邊形的邊界處的馬赫帶效應不能完全消除

Phong雙線性法向插值

以時間為代價，可以部分解決上述的弊病；

將鏡面反射引進到明暗處理中，解決了高光問題

特點

• 保留雙線性插值，對多邊形邊上的點和內域各點，采用增量法
• 對頂點的法向量進行插值，而原頂點的法向量，仍用相鄰多邊形的法向作平均
• 由插值得到法向，來計算多邊形每個象素的光強度
• 假定光源與視點均在無窮遠處，光強只是法向量的函數

方法與光強插值類似，其中的光強項用法向量項來代替。基本公式

增量插值計算也類似，用法向代替光強

兩種模型對比

兩類模型的特點：

• 光強插值能有效的顯示漫反射曲面，計算量小；
• 法向插值可產生正確的高光區域，但計算量大。

增量式光照明模型的不足：

• 此模型得到的物體邊緣輪廓是折線段而非光滑曲線；
• 由于透視原因，等間距掃描線會產生不均勻效果；
• 插值結果決定于插值方向

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机图形学---简单光照明模型知识汇总的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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