第十章光照物体的显示 人眼感觉到的物体真实感图形是一个既 有轮廓形状,在其表面上又有明暗与色彩的 统一体,这个印象与感觉是物体反射或发射 光线到达人眼所产生的结果。本章从众多因 素中找出影响亮度与色彩计算的主要因素, 并建立相应的数学模型,以解决光照物体的 真实感显示问题
第十章 光照物体的显示 人眼感觉到的物体真实感图形是一个既 有轮廓形状，在其表面上又有明暗与色彩的 统一体，这个印象与感觉是物体反射或发射 光线到达人眼所产生的结果。本章从众多因 素中找出影响亮度与色彩计算的主要因素， 并建立相应的数学模型，以解决光照物体的 真实感显示问题
S101光色模型 光源 本节纲要 二、颜色 三、颜色模型 ●四、颜色映射
§10.1 光色模型 ⚫ 一、光源 ⚫ 二、颜色 ⚫ 三、颜色模型 ⚫ 四、颜色映射 本 节 纲 要
光源 1、照射在物体表面上光源有如下两种基本来源 1.1、发射光源 能主动发射光线的物体,是光线的最原始来源, 如:照射灯、太阳等。 太 阳 1.2、被动的反射光源 它是发射光源的照射下,物体表面反射光线所产生的 光照。如:背景光照、月亮等。 月 亮
一、光源 1.1、发射光源 能主动发射光线的物体，是光线的最原始来源， 如：照射灯、太阳等。 1.2、被动的反射光源 它是发射光源的照射下，物体表面反射光线所产生的 光照。如：背景光照、月亮等。 1、照射在物体表面上光源有如下两种基本来源： 太 阳 月 亮
2、描述一个光源通常应指出光源各光谱组成、光源 的几何性质和光强分布三要素。对三要素的简述如以 下 21、光源的光谱组成一决定了发射光源发射光线的色彩(彩色光线)。 人所能看到可见光是一种电磁波信号,波长为400m-0m-109m) 之间,在改善观察的条件下,可达380m-780m。当光线中包含的各种波 长的能量相等时,该光线即呈现白光;如果光线中各波长的能量不同时则 呈现彩色光(简称色光)。现实中具有特定波长的光线(单色光)是很少 的,大多数光线都包含有多种波长的光。 22、光源的几何性质有两层含义:其一是指发射光源是点光源、线 光源、还是面光源。计算机生成图形一般都是假定在点光源照射条件下 生成的。对于线光源或面光源,一种模拟方法是在一条直线或者一个平 面上均匀放置足够数量的点光源。这种方法解决线光源与面光源计算量 非常大。其二是指光源发射的光线是平行光、还是非平行光、或类似于 舞台演出活动中使用的聚光光源(如图10-1所示)
2、描述一个光源通常应指出光源各光谱组成、光源 的几何性质和光强分布三要素。对三要素的简述如以 下： 2.1、光源的光谱组成—决定了发射光源发射光线的色彩（彩色光线）。 人所能看到可见光是一种电磁波信号，波长为400nm~700nm 之间，在改善观察的条件下，可达380nm~780nm。当光线中包含的各种波 长的能量相等时，该光线即呈现白光；如果光线中各波长的能量不同时则 呈现彩色光（简称色光）。现实中具有特定波长的光线（单色光）是很少 的，大多数光线都包含有多种波长的光。 ) 9 (1nm 10 m − = 2.2、光源的几何性质有两层含义：其一是指发射光源是点光源、线 光 源、还是面光源。计算机生成图形一般都是假定在点光源照射条件下 生 成 的。对于线光源或面光源，一种模拟方法是在一条直线或者一个平 面上均匀放置足够数量的点光源。这种方法解决线光源与面光源计算量 非常大。其二是指光源发射的光线是平行光、还是非平行光、或类似于 舞台演出活动中使用的聚光光源（如图10-1所示）
23、光源的强度分布:是指光线在 媒介空间传播途中,光线强度的变化情况。 e a 几乎所有的光线在媒介空间传播途中都会 有衰减,这种衰减规律为光强的减小正比 于物体与光源距离的平方。对于点光源, 其发射的光线不但具有方向性(产生透视 效果),而且光强的变化符合上述光强的 衰减规律。有公式10-1 图10聚光光源的照射范围示意图 1+c2·F+c3·F 其中I为光源的强度;为指定传播点处的光强; c2’c3为位置光源的衰减系数;r为光源L到传播点的距离 对于平行光,在有限范围内,其光强可认为是不变。如果 电光源到物体的距离远远大于物体本身的大小,则点光源可以 认为是一个平行光源,此时令q,2,3,则上式位置光源即 转化成为平行光源
2.3、光源的强度分布：是指光线在 媒介空间传播途中，光线强度的变化情况。 几乎所有的光线在媒介空间传播途中都会 有衰减，这种衰减规律为光强的减小正比 于物体与光源距离的平方。对于点光源， 其发射的光线不但具有方向性（产生透视 效果），而且光强的变化符合上述光强的 衰减规律。有公式10-1. α θ α 图10-1聚光光源的照射范围示意图 对于平行光，在有限范围内，其光强可认为是不变。如果 电光源到物体的距离远远大于物体本身的大小，则点光源可以 认为是一个平行光源，此时令 ， 则上式位置光源即 转化成为平行光源。 ， ， 为位置光源的衰减系数； 为光源 到传播点的距离 其中 为光源的强度；为指定传播点处的光强； L I 1 2 3 2 1 2 3 c c c r c c r c r I I l l + • + • = 1 2 c3 c ,c
聚光光源的光强分布函数的一般描述形式为 0 0〉a (cose)"·l 0<a C1+C,●F+C2●r 其中n聚光光源的聚光指数;a为聚光光源的固定夹角,它决 定了聚光光源的光照范围
聚光光源的光强分布函数的一般描述形式为 其中n聚光光源的聚光指数；α为聚光光源的固定夹角，它决 定了聚光光源的光照范围。 + • + • = • 2 1 2 3 (cos ) 0 c c r c r I Il θn θ〉α θ≤α
、颜色 1.颜色与其描述方法 颜色大体分成7种颜色,即红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7个主色。 人眼受色光的刺激而产生的色视觉(称为颜色)由三个参量决定:色光的亮度 色彩和色饱和度。亮度:是色光强度的客观度量,也是人眼对色光明亮的程度 的主观评测;色彩:是用以区分红、橙、黄、绿、青、蓝、紫晶红等谱色光 的术语;色饱和度:是颜色被多少白色所稀释的程度。 在物理学中对上述三个主观描述量常用颜色的主波长、纯度、辉度三个客观 变量来描述。主波长:是观察光线所能看到的那种颜色的波长;纯度:对应颜 色的饱和度;辉度:则是光能的数量。 下图是:主波长、纯度、辉度的光谱能量分布图 能量密度 主波长 波长mm 紫480青
二、颜色 1．颜色与其描述方法 颜色大体分成7种颜色，即 红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7个主色。 人眼受色光的刺激而产生的色视觉（称为颜色）由三个参量决定：色光的亮度、 色彩和色饱和度。亮度：是色光强度的客观度量，也是人眼对色光明亮的程度 的主观评测；色彩：是用以区分红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 品红等谱色光 的术语；色饱和度：是颜色被多少白色所稀释的程度。 在物理学中对上述三个主观描述量常用颜色的主波长、纯度、辉度三个客观 变量来描述。主波长：是观察光线所能看到的那种颜色的波长；纯度：对应颜 色的饱和度；辉度：则是光能的数量。 下图是：主波长、纯度、辉度的光谱能量分布图 能 量 密 度 e2 e1 400紫 480青 780红 波长mm 主波长
2RGB三基色理论与CE色度图 人们对色和色视觉做过大量的试验和研究总结出色光的混合定律 (1)人的视觉只能分辨色光的三种参量的变化即亮度、色彩和度。 (2两个色光相加混合而成为一个合成色光,如果一个色光成分 连续变化,则合成光的颜色也会连续变化 (3任一色总可以找到它的补色(两色相加混合为白色,则两色 互为补色) (4)任何两个非互补色相加可得出中间色,其色感由两相加色的 强度及其比例关系确定 (5)多个色光相加混合,合成色光的色感只有各个相加色光的色 感确定,与谱结构无关 (6)多个色光相加混合,合成色光的亮度等于各个相加色光的亮 度等于各个相加的亮度之和
2.RGB三基色理论与CIE色度图 人们对色和色视觉做过大量的试验和研究总结出色光的混合定律 ⑴人的视觉只能分辨色光的三种参量的变化,即亮度、色彩和度。 ⑵两个色光相加混合而成为一个合成色光，如果一个色光成分 连续变化，则合成光的颜色也会连续变化。 ⑶任一色总可以找到它的补色（两色相加混合为白色，则两色 互为补色） ⑷任何两个非互补色相加可得出中间色，其色感由两相加色的 强度及其比例关系确定。 ⑸多个色光相加混合，合成色光的色感只有各个相加色光的色 感确定，与谱结构无关。 ⑹多个色光相加混合，合成色光的亮度等于各个相加色光的亮 度等于各个相加的亮度之和
1931年国际照明委员会(CIE)规定了RGB三基色的波长,即红光 700nm,绿光:546nm,蓝光:435nm。 R:红 G:绿 B:蓝 G C:青 Y:黄 白(B R W M 白幕上RGB相加混色效果图 试验得出这三基色相加匹配成白光的亮度比例关系是 R:G:B=1:4.5907:0.0601 因此,可以规定红绿蓝白4种颜色的相对亮度等级为T单位。 如规定红基色=10(nit)=1T绿基色=45.907(nit)=1T,蓝基=0.601 (nit)=1T它们正好配成3T的白光, 1T白光的绝对物理亮度 10+45.907+0.60156.508
1931年国际照明委员会（CIE）规定了RGB三基色的波长 ，即红光： 700nm，绿光：546nm，蓝光：435nm。 白幕上RGB相加混色效果图 R:红 G:绿 B:蓝 C:青 Y:黄 W:白 M:品 R G B C Y W M 试验得出这三基色相加匹配成白光的亮度比例关系是 R:G:B=1 : 4.5907 : 0.0601 因此，可以规定红绿蓝白4种颜色的相对亮度等级为T单位。 如规定红基色=10（nit）=1 T, 绿基色=45.907 （nit）=1 T,蓝基=0.601 （nit）=1 T,它们正好配成3T的白光， 1T白光的绝对物理亮度= 3 56.508 3 10 45.907 0.601 = + +
如果用R个(R)色G个(G)色,B个(B)色的三基色合成 个复合色光(C),配色方程表示为 C(C)=R(R+G(G)+B(B) (10-5) 其中C=R十G+B,RGB分别是三基色刺激量的数值,把(10-5)式两端 同除以C得 1(C-r(r)+g(G)+b(B) (10-6) 其中R+G+B8=q R B b R+g+B R+g+B 而r+g+b=1该方程代表在RGB空间中的一个单位平 面,此式表明,色C的1T单位量中分别含有的三基色量之间的比例 关系。由于此式指出色C的色饱和度与色彩,故称此式为色度方程 rgb三系数为色度系数。由此式不难指出RGB≡基色本身的色度 系数,其中(r,g,b)分别是(1,0.0)(0,1,0)(0,0,1)。白光的色度系数 是 r=g=b=1/3 (10-7) 下面打开书看书中两个例子(p245)
如果用R个（R）色,G个（ G ）色, B个（B）色的三基色合成 一个复合色光（C），配色方程表示为 C（C）=R(R)+G(G)+B(B) (10-5) 其中C=R+G+B; R G B分别是三基色刺激量的数值，把(10-5)式两端 同除以C得 1(C)=r(R)+g(G)+b(B) (10-6) 其中 而r+g+b=1,该方程代表在RGB空间中的一个单位平 面，此式表明，色C的1T单位量中分别含有的三基色量之间的比例 关系。由于此式指出色C的色饱和度与色彩，故称此式为色度方程 r g b三系数为色度系数。由此式不难指出R G B三基色本身的色度 系数，其中（r ,g, b）分别是(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)。白光的色度系数 是 r=g=b=1/3 (10-7) 下面打开书看书中两个例子（p245） R G B B b R G B G g R G B R r + + = + + = + + = ,