计算机图形与图像计算机学院黄章进zhuang@ustc.edu.cn第一章第三节成像模型2主要内容•成像系统•物理成像系统–人类视觉系统–针孔照相机•虚拟照相机系统–成像模型–全局和局部光照3物理图像---图片•二维格式•物理成像系统–照相机–显微镜–望远镜–人类视觉系统4计算机图像•在计算机图形学中，图像的生成过程完全类似于照相机和人类视觉等物理成像系统•来源可以是不存在的5对象(Object)•物理成像系统：照相机等–三维世界：人物、风景等•计算机图形学–虚拟/人造对象：通过点、线和多边形等几何图元来构造对象6对象•顶点(vertex)：空间中的位置–OpenGL：glVertex()•OpenGL等图形系统用顶点的集合来定义或逼近对象–直线：两个端点–多边形：有序的顶点列表–球面：球心和球面上一点•AutoCAD等系统提供图形化界面来方便构造现实世界的虚拟模型7观察者(Viewer)•观察者观察对象，生成对象的图像–人：成像在视网膜–照相机：成像在底片•对象独立于观察者–对同一对象，不同观察者会看到不同的图像–横看成岭侧成峰，远近高低各不同8对象与观察者的独立性9(a)观察者A的视图(b)观察者B的视图(c)观察者C的视图伸手不见五指10光(light)•人(被)看到图像，是对象发射或反射的光进入人眼•光是电磁辐射的一种形式•电磁波：电磁能以波的形式传播–波长λ或频率f表征：fλ=c，其中c是光速–电磁波谱包括无线电波、红外线和可见光谱等11可见光•可见光就是人类视觉系统对它有反应的那部分–波长大约介于350~780nm(纳米,10-8米)–不同波长对于不同颜色：红色–-650nm，蓝色–-450nm，绿色–-520nm12可见光无线电波X-射线(nm)(nm)350780光源与几何光学•光源所发出光学的频率可以是一组离散值或连续值–激光：单一频率的光–日光灯/白炽灯：频率范围内的光•几何光学–光源是具有固定强度的光能发射器–光线从光源射出，沿直线传播，直到遇到物体•理想点光源：从一个点向所有方向均匀发射光线13成像系统的要素•物体/对象•观察者（人、照相机）•光源•材质的属性确定光照射在物体上的效果•注意对象、观察者以及光源是完全独立的14成像模型•给定–场景中的对象–对象的光反射属性–光源属性–观察者：人或照相机•如何生成该场景的图像？15跟踪光线•从点光源出发，跟踪所有的光线，确定哪些光线进入照相机的镜头•光线在被吸收或者进入无穷空间之前，有可能与物体发生多次相互作用–反射：镜面–散射–折射：透明物体16物理成像方法•基于跟踪光线–光线跟踪(raytracing)和光子映射(photonmapping)–对物理世界很好的近似，可模拟任意复杂的物理效果•基于能量守恒–辐射度方法(radiosity)：适合把入射光线均匀散射的表面17光线跟踪原理18光线跟踪效果19物理成像系统•针孔照相机(pinholecamera)–理解照相机和其他光学成像仪器的工作原理–图形系统成像模型的基础•人类视觉系统(humanvisualsystem)–遵循同样物理原理的复杂系统–三色理论20亮度图像与彩色图像•亮度图像(luminanceimage)–单色图像–值为灰度等级–类似于黑白电影和电视•彩色图像(colorimage)–可以显示出色调(hue),饱和度(saturation)和亮度(lightness)–必须匹配可见光谱中的所有波长吗？否!21人类视觉系统角膜cornea晶状体lens虹膜iris视网膜retina感光细胞sensors视神经opticnerve22感光细胞•两种类型的感光细胞–Rods视杆细胞•仅能感知亮度，不能感知颜色，夜视–Cones视锥细胞•感知亮度(较强光)和色彩•三种类型的锥状细胞•只有三种刺激值送到大脑23强度和亮度•强度：光线能量的物理度量•亮度：度量我们所感知到的物体发射出的光线有多强•人类视觉系统对不同波长光的响应不同–对强度相同的红光和绿光，感知到的亮度不同–对绿光最敏感，对红光和蓝光最不敏感24视锥细胞的感知曲线•人类能够区分颜色是由于三种视锥细胞具有不同的光谱敏感度。–全色盲、红绿色盲25三色理论•使用三种基色或原色(primarycolor)来近视所感知到的所有颜色•在计算机图形学中所谓的三原色不一定与人眼所感知的三种值恰好完全匹配26彩色荫罩式CRT显示器的原理27加色与减色•加色–通过把三原色的值加在一...
