第12讲-三维形体的真实感显示VIP免费

11、三维形体的真实感显示1.简单效果的浓淡图生成2.一般性效果图形生成3.真实感效果图生成1)全局光照模型2)光线跟踪3)辐射度算法4.纹理映射第一页，共五十四页。CAD系统几何建模过程形体定义输入1形体定义输入2形体定义输入n内部CSG＋BREP表达布尔运算结果形体BREP表达三角剖分显示数据结构显示渲染显示参数定义第二页，共五十四页。光照效果影响因素当光照射到物体表面时，物体对光会发生反射、透射、吸收、衍射、折射和干涉。被物体吸收的部分转化为热。颜色是人对光的生理反映，反射、透射的光进入人的视觉系统，使我们能看见物体的颜色。为模拟这一现象，我们建立一些数学模型来替代复杂的物理模型。这些模型就称为明暗效应模型或者光照明模型。思考：我们所见物体的颜色是怎样形成的？影响观察物体颜色的主要因素有哪些？第三页，共五十四页。在不考虑人的生理因素的情况下，物体的颜色与光源颜色、物体表面物理特性、表面粗糙度、周边环境等因素有关。在正常的情况下，光沿着直线传播，当光遇到介质不同的表面时，会产生反射和折射现象，而且在反射和折射的时候，它们遵循反射定律和折射定律。第四页，共五十四页。研究光照模型的目的：确定物体表面的每一个多边形或者多边形中的每一个点的颜色。第五页，共五十四页。11三维形体的真实感显示1.简单效果的浓淡图生成2.一般性效果图形生成3.真实感效果图生成1)全局光照模型2)光线跟踪3)辐射度算法4.纹理映射第六页，共五十四页。1.简单效果的浓淡图生成1）单颜色填充多边形算法思路：根据多面体表面的平面法矢决定颜色值，直接调用OpenGL的多边形填充算法即可。算法简单，但轮廓分明，各多边形之间过渡不光滑。第七页，共五十四页。2）Gouraud模型算法思想：为使多边形边界之间光滑显示，先计算多边形各顶点光强，后通过双线性插值，计算多边形内各点光强。能保证多边形边界颜色的连续性，但高光模糊，有时出现过亮或过暗条纹（即马赫效应）。计算较为简单，OpenGL算法已实现硬件加速。第八页，共五十四页。算法步骤：For（每一个三角形）{1)计算多边形顶点的平均法向；2)根据基本光照模型计算顶点的平均光强；3)通过线性插值，计算多边形的边上的各点光强；4)通过线性插值，计算多边形内部各点的光强。}第九页，共五十四页。10三维形体的真实感显示1.简单效果的浓淡图生成2.一般性效果图形生成3.真实感效果图生成1)全局关照模型2)光线跟踪3)辐射度算法4.纹理映射第十页，共五十四页。2.一般性效果图形生成1）简单光照明模型--Phong模型简单光照明模型模拟物体表面对光的反射作用。光源被假定为点光源，反射作用被细分为镜面反射(SpecularReflection)和漫反射(DiffuseReflection)。简单光照明模型只考虑物体对直接光照的反射作用，而物体间的光反射作用，只用环境光(AmbientLight)来表示。Phong模型是一种简单光照明模型＝漫反射光＋镜面反射光＋环境光第十一页，共五十四页。不妨设：入射光强为Il物体表面上点P的法向为N从点P指向光源的向量为L两者间的夹角为图漫反射A）理想漫反射当光源来自一个方向时，漫反射光均匀向各方向传播，与视点无关，它是由表面的粗糙不平引起的，因而可假定漫反射光的空间分布是均匀的。第十二页，共五十四页。如果Il表示点光源的强度，kd表示物体表面漫反射系数，则漫反射方程可描述为：cosdlkII)2π(0≤≤若N为物体表面的单位法向量，L为物体表面上一点指向光源的单位矢量，则：)(LNdlkII)(1iniliIILN如果有多个光源，则光强度计算式为：图漫反射第十三页，共五十四页。B）镜面反射光对于理想镜面，反射光集中在一个方向，并遵守反射定律。对一般的光滑表面，反射光集中在一个范围内，且由反射定律决定的反射方向光强最大。图镜面反射光因此，对于同一点来说，从不同位置所观察到的镜面反射光强是不同的。镜面反射光强可表示为：Ks是与物体有关的镜面反射系数，a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。第十四页，共五十四页。镜面反射光将会在反射方向附近形成很亮的光斑，...