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1、颜色与纹理颜色与纹理2/11/20231主要内容n颜色与视觉n光的特性n单色模型n彩色模型n光栅系统的颜色模型n纹理n纹理映射2/11/2023 颜色与视觉n颜色：外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。n确定物体的颜色的因素：物体本身、光源、周围环境的颜色、视觉系统。n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）。n色调，是一种颜色区别于其他颜色的因素：红、绿、蓝、紫等；n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；n亮度就是光的强度，是光给人的刺激的强度。2/11/2023n颜色的恒常性 n
2、颜色的混合性n牛顿的实验 2/11/2023光的属性n光（可见光）：人的视觉系统能感受到的电磁波，波长范围350nm780nmn光谱能量分布n白光2/11/2023光学特性光学特性n主波长（Dominant Wavelength），纯度（Purity）和明度（Luminance）。n主波长是产生颜色光的波长，对应于视觉感知的色调；n光的纯度对应于饱和度，n明度就是光的亮度。n光亮度:既表示光能大小又表示其色彩组成的物理量.n光学中光谱分布，表示一束光中不同波长光所占的比例.光谱分布唯一决定了相应可见光的色彩n亮度(Luminance)、照度n不考虑物体周围环境的影响，即与周围环境无关。n明度(
3、Brightness)n视觉系统感知到的亮度，（亮度与明度的关系见后面）2/11/2023n彩色光n单色光2/11/2023n反射光的光谱能量分布2/11/2023n光效率函数n杆状细胞与暗视觉n锥状细胞与明视觉n光效率函数:感受各种波长的光的灵敏度n亮度n颜色n可见光刺激人的视觉系统产生的心理感觉2/11/2023亮度与明度的关系n亮度相同的小正方形区域具有不同的明度nWebe定律：明度C与亮度Y,明度差dC为常数时，dY/Y 也为常数,其中dY是物体与周围环境的亮度差。即存在a1使得 a1*dY/Y=dC上式两端积分得到：C=a2+a1logY2/11/2023单色模型n选择灰度（亮度）n
4、显示器的灰度范围n问题：如何产生均匀分布的n+1级灰度？n方案一n亮度均匀分布n明度C分布不均匀灰度看以来是均匀的要求明度分布均匀2/11/2023单色模型n方案二n明度均匀分布n结论n给定n和 ，得到合理分布的灰度序列2/11/2023单色模型n半色调技术n问题：在硬件条件有限的情况下，如何产生更多的灰度（颜色）等级？n方法：半色调技术、颜色抖动n以空间分辨率增加灰度等级。例子：画笔例子：画笔2/11/2023彩色模型n颜色的描述n视觉n色彩(Hue)、饱和度(Saturation)、明度n物理学n主波长、色纯度、亮度2/11/2023彩色模型n，1862年，Helmhotz 三色学说，也称
5、为三刺激理论。到现在，用三种原色能够产生各种颜色的三色原理已经成为当今颜色科学中最重要的原理和学说。n三基色n三维颜色空间的一组基n三基色的例子：红、绿、兰三基色n来自生物学的证据n视网膜中存在三种锥状细胞，分别对红、绿、兰三基色敏感2/11/2023n三色学说:视网膜中存在着三种椎体细胞，包含不同的色素，对光的吸收和反射特性不同，对于不同的光就有不同的颜色感觉.n第一种椎体细胞:感受红光的红胞，n第二和第三种椎体细胞则分别感受绿光和蓝光。它们三者共同作用，使人产生了不同的颜色感觉。例如，当黄光刺激眼睛时，将会引起红、绿两种椎体细胞几乎相同的反应，而只引起蓝细胞很小的反应，这三种不同椎体细胞的
6、不同程度的兴奋程度的结果产生了黄色的感觉，这正如颜色混合时，等量的红和绿加上极小量的蓝可以复现黄色是相同。2/11/2023视网膜：杆状和椎状杆状细胞提供视觉相应（称为暗视觉）2/11/2023彩色模型n颜色匹配n问题n方法？2/11/2023CIE色度图 n给定一种颜色，采用如何的三原色比例才可以复现出该色，以及这种比例是否唯一？nCIE（国际照明委员会）选取的标准红、绿、蓝三种光的波长分别为：红光，R，；绿光，G，；蓝光，B，。而光颜色的匹配可以用式子表示为：n其中权值r、g、b为颜色匹配中所需要的R、G、B三色光的相对量，也就是三刺激的值。2/11/2023CIE-RGB 2/11/20
7、23CIE-XYZ n为了避免颜色匹配系统RGB非负，n取三基色XYZn所有的可见光对应的颜色在XZY坐标系中组成了一个锥体，2/11/2023是原点与（X，Y，Z）的直线与平面X+Y+Z=1的交点，投影到XY平面上，得到CIE-XYZ色度图图中舌形线纯度为100%的单色光，每一点是单色光的主波长。C点对应校准白光，色度坐标近似（1/3，1/3，1/3）。色度坐标：2/11/2023主波长，色纯度和补色的计算n两种颜色混合叠加，两种颜色的连线上。n若将颜色A看作校准白光与纯色B的混合，A与B的主波长相同。n|AC|/|BC|为颜色A的纯度2/11/2023颜色域定义2/11/2023光栅系统中
8、的颜色模型n颜色模型n三维颜色空间的子集n面向硬件的颜色模型nRGB模型nCMY模型（Cyan青、Magenta品红、Yellow黄）nYIQ模型（Y：亮度，I、Q：色差）n面向用户的颜色模型nHSV模型（H(Hue)色彩，S(Saturation)饱和度，V(Value)明度）2/11/2023光栅系统中的颜色模型nRGB模型nRed（红）、Green（绿）、Blue(兰)n应用：彩色CRTn加色模型2/11/2023显示彩色图象用RGB相加混色模型n颜色R(红色的百分比)G(绿色的百分比)B(蓝色的百分比)2/11/2023光栅系统中的颜色模型nCMY模型nCyan（青）、Magenta（
9、品红）、Yellow（黄）n应用：硬拷贝设备n减色模型2/11/2023打印彩色图象用CMY相减混色模型2/11/2023光栅系统中的颜色模型nYIQ模型nY：亮度，I、Q：色差n应用：电视传播系统电电视视台台RGB信号EncoderYIQ信号用用户户RGB信号DecoderYIQ信号2/11/2023光栅系统中的颜色模型n为什么采用YIQ模型？n向后兼容黑白电视n节约带宽nYIQ模型与RGB模型的关系？Y:I:Q=4:1.5:0.6Total=6M2/11/2023光栅系统中的颜色模型nHSV模型：面向用户nH(Hue)：色彩，S(Saturation)：饱和度，V(Value)：明度n应用
10、：用户调色板n模型2/11/2023颜色纺锤体2/11/2023RGB和HSVnRGB和CMY颜色模型都是面向硬件的，相比较而言，HSV(Hue,Saturation,Value)颜色模型是面向用户的，该模型对应于圆柱坐标系的一个圆锥形子集 2/11/2023RGB彩色空间和CMY彩色空间的表示法nCMY立方体 RGB立方体2/11/2023光栅系统中的颜色模型n颜色的交互指定n菜单n调色板n颜色差插图形的绘制n动画n反混淆2/11/2023纹理与纹理映射2/11/2023模拟物体表面细节模拟物体表面细节n物体的表面几何存在三种基本的度量层次 n宏观结构层次（macrostructure）n物
11、体的几何模型，一般用多边形、参数曲面描述n亚宏观结构层次（mesostructure）n相当小但仍看得见的几何细节，如砖墙上的凹凸部分n微观结构层次（microstructure）n描述肉眼看不到的表面细节和光学特性 n表面细节多边形表面细节多边形n纹理映射纹理映射n法向扰动法法向扰动法2/11/2023表面细节多边形表面细节多边形n方法方法n根据代生成的纹理构造细节多边形根据代生成的纹理构造细节多边形n将细节多边形贴到物体表面将细节多边形贴到物体表面2/11/2023复杂情形如何处理？2/11/2023n纹理映射一般针对前两个几何层次进行 n在宏观层次，使用颜色纹理映射可为物体表面贴上真实的
12、色彩花纹 n在亚宏观层次，则采用更为精细的纹理映射技术表现凹凸不平的表面纹理细节，如凹凸纹理映射，BTF（双向纹理函数）等等2/11/2023为什么要进行纹理映射n仅有光照的场景看上去并不很真实n模型的多边形可能有些粗糙、不平滑n纹理可以对很多外观效果因素进行调制,如n反射效果，表面颜色，镜面高光，透明度，表面细节n用户定制物体表面细节2/11/2023纹理与纹理映射n纹理是物体表面的细小结构，它可以是光滑表面的花纹、图案，是颜色纹理n纹理的特征？n纹理还可以是粗糙的表面(如桔子表面的皱纹)，它们被称为几何纹理，是基于物体表面的微观几何形状的表面纹理，一种最常用的几何纹理就是对物体表面的法向进
13、行微小的扰动来表现物体表面的细节2/11/2023n如何找到纹理与物体表面之间的对应关系？2/11/20232/11/2023纹理映射纹理映射n纹理的表示纹理的表示n图象纹理：将二维纹理图案映射到三维图象纹理：将二维纹理图案映射到三维物体表面，绘制物体表面上一点时，采物体表面，绘制物体表面上一点时，采用相应的纹理图案中相应点的颜色值。用相应的纹理图案中相应点的颜色值。n函数纹理：用数学函数定义简单的二维函数纹理：用数学函数定义简单的二维纹理图案，如方格地毯。或用数学函数纹理图案，如方格地毯。或用数学函数定义随机高度场，生成表面粗糙纹理即定义随机高度场，生成表面粗糙纹理即几何纹理。几何纹理。2/
14、11/2023纹理映射（续）纹理映射（续）n当物体表面是多边形时当物体表面是多边形时n直接给定多边形顶点的纹理坐标直接给定多边形顶点的纹理坐标2/11/2023纹理映射（续）纹理映射（续）n当物体表面是参数曲面时当物体表面是参数曲面时n给定参数与纹理坐标之间的关系给定参数与纹理坐标之间的关系2/11/2023纹理映射（续）纹理映射（续）n步骤步骤1、将屏幕像素的四个角点映射到景物坐标空间中可见的物体表面上2、将景物坐标空间映射到纹理坐标空间3、将像素所对应的纹理坐标空间中的四边形内的所有纹素的值作加权平均，结果作为物体表面的漫反射系数参与颜色计算2/11/2023纹理映射（续）纹理映射（续）2
15、/11/2023纹理坐标的指定2/11/2023n纹理图象模拟国际象棋上黑白相间的方格 2/11/2023常用的纹理映射方法n圆柱面映射n反求参数2/11/20232/11/2023n球面映射n反求参数2/11/2023两步法纹理映射nBier和Sloan提出，应用于三维曲面上n方法：n先映射到一个简单的三维曲面上，如平面，柱面，球面或者立方体上（中介曲面）n把变形后的得映射结果映射到最终曲面上n4种从中介曲面到物体表面的映射方式n反射光线法n物体法向法n物体中心法n中介表面法向法2/11/2023环境映射nBlinn和Newell提出n环境被映照到一个大的球面上。n方法：n从视点出发，向待绘
16、制的物体表面上一点发出一条光线，求在该点的反射光线与环境球面的交点。n平面情况处理，用虚视点方法n效果比光线跟踪差，但计算量要很多。2/11/20232/11/2023细节多层次（mipmap）n回顾纹理过滤n纹理图单元（纹元，texel）和屏幕像素单元大小往往不是一对一的匹配2/11/2023细节多层次（mipmap）nmipmap实际上就是预过滤，预先生成一批由大到小的纹理图，根据物体所占像素的大小，选择对应的纹理进行映射n又称为LoD（Level of Detail）技术2/11/2023细节多层次（mipmap）2/11/2023细节多层次（mipmap）n使用mipmap的几个要点n
17、由大到小所有的纹理，其宽、高必须都满足2的幂次n从最大尺寸到最小尺寸（11）的所有纹理都必须给出，不得遗漏，每一层次的宽高都相差2倍n各个尺寸的纹理都可以单独指定，相互之间可以完全不相关2/11/2023过程纹理n木头纹理n三维体纹理n二维纹理图象或纹理函数sweepnFourier合成n噪声函数随机合成n与凹凸纹理的关系2/11/2023纹理反走样nMipMapping（图象金字塔）n从高分辨率到低分辨率，分层存储n纹理颜色的平均，正方形滤波器作卷积2/11/2023三维纹理域的映射 n物体中每一个点(x,y,z)均有一个纹理值t(x,y,z)，其值由纹理函数t(x,y,z)唯一确定。n三维
18、纹理映射的纹理空间定义在三维空间上，与物体空间维数相同，在纹理映射的时候，只需把场景中的物体变换到纹理空间的局部坐标系中去即可。2/11/2023木纹的纹理函数 n步骤：首先求木材表面上的点到木材中心的半径R:R=，对半径进行小的扰动，有R=R+2sin(20*a)，然后对z轴进行小弯曲处理，R=R+2sin(20*a+w/150)，最后根据半径R用下面的伪码来计算color值作为木材表面上点的颜色，就可以得到较真实的木纹纹理：grain=R MODMOD 60;/*每隔60一个木纹*/ifif(grain 40)color=淡色;elseelse color=color=深色深色;2/11/
19、2023法向扰动法法向扰动法n目标n产生几何纹理，模拟凸凹不平的物体表面n应用n自然界中植物的表皮等n方法n对物体表面微观形状进行扰动2/11/2023几何纹理n几何纹理方法对物体表面几何性质作微小扰动，产生凹凸不平的细节效果，给物体表面图象加上一个粗糙的外观n物体表面上的每一个点P(u,v)，都沿该点处的法向量方向位移F(u,v)个单位长度，新表面位置：2/11/2023n通过对两个偏导数求叉积得到nF相对很小，忽略不计，有新表面法向量计算2/11/2023几何纹理实现n扰动后的法向量单位化，用于计算曲面的明暗度，产生凹凸不平的几何纹理nF的偏导数的计算，可以用中心差分实现n几何纹理函数定义可以用统一的图案纹理记录n图案中较暗的颜色对应较小F值，较亮的颜色对应较大F值，把各象素的值用一个二维数组记录下来，就是几何纹理统一表示2/11/2023纹理合成2/11/20232/11/20232/11/20232/11/20232/11/20232/11/20232/11/2023n纹理与纹理映射实例2/11/2023