世界中,光照明效果一般包括光的反射、光的透射、表面纹理和阴影等。我们把在已知物体物理形态和光源 性质的条件下,能够计算出场景的光照明效果的数学模型称为光照明模型。这种模型可以用描述物体表面光 强度的物理公式推导出来。早期的光照明模型都是基于经验的模型,只能反映光源直接照射的情况,而一些 比较精确的模型,通过模拟物体之间光的相互作用,可以得到令人满意的结果。 在本章中,我们首先介绍颜色视觉,这是真实感图形学的生理基础:然后我们按照光照明模型的发展过程 我们针对当今真实感图形学研究的热点,简单讨论了一些实时真实感图形学的技术,目的是想起一个抛砖引 玉的作用,使我们的图形学研究能够跟上国际的潮流,提高我们的计算机图形学发展水平。 4.1颜色视觉 4.2简单光照明模型 43局部光照明模型 4.4光透射模型 4.5纹理及纹理映射 4.6整体光照明模型 47 时真实感图形学技术 4.1颜色视觉 对于真实感图形学,要产生具有高度真实感的图象,颜色是其中的最重要的部分。在我们的光照明模型中, 我们通常只要分别计算R、G、B三个分量的光强值,就可以得到某个象素点上颜色值,给人以某种颜色的感 觉,这个过程看起来很简单,可是为什么简单的通过三个分量的计算就可以产生颜色感觉,却包含着许多很 复杂的概念,其中涉及到了物理学、心理学、生理学、美学等不同的学科。为了使读者更好的理解我们后面 所讲的光照明模型以及有关真实感图形学的内容,我们首先从人体视觉的角度出发,介绍计算机图形学中颜 色视觉的一些相关知识 4.1.1基本概念 颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉,因而物体的颜色不仅取决于物体本身,而且 还与光源、周围环境的颜色,以及观察者的视觉系统都有关系 从心理学和视觉的角度出发,颜色有如下三个特性:色调(Hue),饱和度( Saturation)和亮度( Lightness) 所谓色调,是一种颜色区别于其他颜色的因素,也就是我们平常所说的红、绿、蓝、紫等:饱和度是指颜色 的纯度,鲜红色的饱和度高,而粉红色的饱和度低:而亮度就是光的强度,是光给人的刺激的强度。与之相 对应,从光学物理学的角度出发,颜色的三个特性分别为:主波长( Dominant Wavelength),纯度( Purity) 和明度( Luminance)。主波长是产生颜色光的波长,对应于视觉感知的色调:光的纯度对应于饱和度,而明 度就是光的亮度。这是从两个不同方面来描述颜色的特性 在三维空间中,我们可以用一个纺锤体把颜色的三种基本特性来表示出来(图4.1.1)。在颜色纺锤体的 垂直轴线上表示白黑系列的亮度变化,顶部是白色,沿着灰度过渡,到底部是黑色。在垂直轴线的上下方向 上,越往上,亮度越大。色调由水平的圆周表示,圆周上的不同角度的点代表了不同色调的颜色,如红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫等,圆周中心的色调是中灰色,它的亮度和该水平圆周上各色调的亮度相同。从圆心向 圆周过渡表示同一色调下饱和度的提高。在颜色纺锤体的一个平面圆形上,它们的色调和饱和度不同,而亮 度是相同的。 计算机图形学第四章第102页共36页计算机图形学 第四章 第 102 页 共 36 页 世界中，光照明效果一般包括光的反射、光的透射、表面纹理和阴影等。我们把在已知物体物理形态和光源 性质的条件下，能够计算出场景的光照明效果的数学模型称为光照明模型。这种模型可以用描述物体表面光 强度的物理公式推导出来。早期的光照明模型都是基于经验的模型，只能反映光源直接照射的情况，而一些 比较精确的模型，通过模拟物体之间光的相互作用，可以得到令人满意的结果。 在本章中，我们首先介绍颜色视觉，这是真实感图形学的生理基础；然后我们按照光照明模型的发展过程， 依次介绍不同的光照明模型，其间，结合不同的光照明效果，还介绍了光透射模型和纹理的基本方法。最后 我们针对当今真实感图形学研究的热点，简单讨论了一些实时真实感图形学的技术，目的是想起一个抛砖引 玉的作用，使我们的图形学研究能够跟上国际的潮流，提高我们的计算机图形学发展水平。 4.1 颜色视觉 4.2 简单光照明模型 4.3 局部光照明模型 4.4 光透射模型 4.5 纹理及纹理映射 4.6 整体光照明模型 4.7 实时真实感图形学技术 4.1 颜色视觉 对于真实感图形学，要产生具有高度真实感的图象，颜色是其中的最重要的部分。在我们的光照明模型中， 我们通常只要分别计算 R、G、B 三个分量的光强值，就可以得到某个象素点上颜色值，给人以某种颜色的感 觉，这个过程看起来很简单，可是为什么简单的通过三个分量的计算就可以产生颜色感觉，却包含着许多很 复杂的概念，其中涉及到了物理学、心理学、生理学、美学等不同的学科。为了使读者更好的理解我们后面 所讲的光照明模型以及有关真实感图形学的内容，我们首先从人体视觉的角度出发，介绍计算机图形学中颜 色视觉的一些相关知识。 4.1.1 基本概念 颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉，因而物体的颜色不仅取决于物体本身，而且 还与光源、周围环境的颜色，以及观察者的视觉系统都有关系。 从心理学和视觉的角度出发，颜色有如下三个特性：色调（Hue）,饱和度（Saturation）和亮度（Lightness）。 所谓色调，是一种颜色区别于其他颜色的因素，也就是我们平常所说的红、绿、蓝、紫等；饱和度是指颜色 的纯度，鲜红色的饱和度高，而粉红色的饱和度低；而亮度就是光的强度，是光给人的刺激的强度。与之相 对应，从光学物理学的角度出发，颜色的三个特性分别为：主波长（Dominant Wavelength），纯度（Purity） 和明度（Luminance）。主波长是产生颜色光的波长，对应于视觉感知的色调；光的纯度对应于饱和度，而明 度就是光的亮度。这是从两个不同方面来描述颜色的特性。 在三维空间中，我们可以用一个纺锤体把颜色的三种基本特性来表示出来（图 4.1.1）。在颜色纺锤体的 垂直轴线上表示白黑系列的亮度变化，顶部是白色，沿着灰度过渡，到底部是黑色。在垂直轴线的上下方向 上，越往上，亮度越大。色调由水平的圆周表示，圆周上的不同角度的点代表了不同色调的颜色，如红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫等，圆周中心的色调是中灰色，它的亮度和该水平圆周上各色调的亮度相同。从圆心向 圆周过渡表示同一色调下饱和度的提高。在颜色纺锤体的一个平面圆形上，它们的色调和饱和度不同，而亮 度是相同的