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1、真实感图形生成光照模型(1/6)lIllumination Modell l根据光学物理的有关定律根据光学物理的有关定律根据光学物理的有关定律根据光学物理的有关定律l l计计计计算算算算景景景景物物物物表表表表面面面面上上上上任任任任意意意意一一一一点点点点投投投投向向向向观观观观察察察察者者者者眼眼眼眼中中中中的的的的l l光亮度的大小和色彩组成的公式光亮度的大小和色彩组成的公式光亮度的大小和色彩组成的公式光亮度的大小和色彩组成的公式 l隐面消除算法隐面消除算法l光照模型计算亮度和色彩光照模型计算亮度和色彩光照模型(2/6)l来自光源和周围环境的入射光来自光源和周围环境的入射光 照在物体表面
2、上时，可能被照在物体表面上时，可能被l l吸收吸收吸收吸收吸收的入射光能转化为热能吸收的入射光能转化为热能吸收的入射光能转化为热能吸收的入射光能转化为热能l l反射反射反射反射l l透射透射透射透射不仅取决于景物表面的不仅取决于景物表面的表面特性表面特性还取决于入射光能的光源的还取决于入射光能的光源的照明特性照明特性光照模型(3/6)l表面特性表面特性l l景物表面的景物表面的景物表面的景物表面的材料材料材料材料n n反射系数反射系数反射系数反射系数决定入射光中有多少光线被反射决定入射光中有多少光线被反射决定入射光中有多少光线被反射决定入射光中有多少光线被反射n n透明性透明性透明性透明性决定
3、有多少光线从物体后面透射过来决定有多少光线从物体后面透射过来决定有多少光线从物体后面透射过来决定有多少光线从物体后面透射过来n n反反反反射射射射光光光光和和和和透透透透射射射射光光光光的的的的光光光光谱谱谱谱分分分分布布布布决决决决定定定定了了了了景景景景物物物物表表表表面面面面呈呈呈呈现的颜色现的颜色现的颜色现的颜色n n反反反反射射射射光光光光和和和和透透透透射射射射光光光光的的的的强强强强弱弱弱弱决决决决定定定定了了了了景景景景物物物物表表表表面面面面的的的的明明明明暗暗暗暗程度程度程度程度l l景物表面的景物表面的景物表面的景物表面的朝向朝向朝向朝向l l景物表面景物表面景物表面景物
4、表面与光源的相对位置与光源的相对位置与光源的相对位置与光源的相对位置光照模型(4/6)l照明特性照明特性照明特性照明特性l l光源的性质光源的性质光源的性质光源的性质l l几何性质：点光源、线光源、面光源、体光源几何性质：点光源、线光源、面光源、体光源几何性质：点光源、线光源、面光源、体光源几何性质：点光源、线光源、面光源、体光源l l色彩（光谱分布）色彩（光谱分布）色彩（光谱分布）色彩（光谱分布）l l强度强度强度强度l l方向方向方向方向l l点光源点光源点光源点光源l l向周围辐射等强度的光向周围辐射等强度的光向周围辐射等强度的光向周围辐射等强度的光光照模型(5/6)l局部光照模型局部光
5、照模型l l只考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果只考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果只考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果只考虑光源直接照射在景物表面所产生的光照效果l l景物表面通常被假定为不透明，均匀反射率景物表面通常被假定为不透明，均匀反射率景物表面通常被假定为不透明，均匀反射率景物表面通常被假定为不透明，均匀反射率l整体光照模型整体光照模型l l考虑周围环境对景物表面的影响考虑周围环境对景物表面的影响考虑周围环境对景物表面的影响考虑周围环境对景物表面的影响l l不仅能模拟不仅能模拟不仅能模拟不仅能模拟n n连续的明暗色调、镜面高光、阴影连续的明暗色调、镜面高光、阴
6、影连续的明暗色调、镜面高光、阴影连续的明暗色调、镜面高光、阴影l l还能模拟还能模拟还能模拟还能模拟l l镜镜镜镜面面面面映映映映像像像像、光光光光的的的的折折折折射射射射、相相相相邻邻邻邻景景景景物物物物表表表表面面面面之之之之间间间间的的的的色色色色彩彩彩彩辉辉辉辉映映映映等等等等较较较较为为为为复复复复杂精致的效果杂精致的效果杂精致的效果杂精致的效果光照模型(6/6)l基本光照模型l l环境光模型环境光模型环境光模型环境光模型l lLambertLambert漫反射模型漫反射模型漫反射模型漫反射模型 l l镜面反射和镜面反射和镜面反射和镜面反射和PhongPhong模型模型模型模型 环境
7、光模型(1/4)ambient light也称背景光也称背景光，或泛光泛光n n从周围环境的各个方向投射来的光从周围环境的各个方向投射来的光从周围环境的各个方向投射来的光从周围环境的各个方向投射来的光n n没有空间或方向上的特征没有空间或方向上的特征没有空间或方向上的特征没有空间或方向上的特征n n均匀地照射在物体的各个不同的表面上均匀地照射在物体的各个不同的表面上均匀地照射在物体的各个不同的表面上均匀地照射在物体的各个不同的表面上n n等量地向各个方向反射等量地向各个方向反射等量地向各个方向反射等量地向各个方向反射分布光源分布光源精确模拟很耗时精确模拟很耗时环境光模型(2/4)近似模拟的环境
8、光模型近似模拟的环境光模型环境光模型(3/4)特点特点n n物体表面对环境光反射的强度物体表面对环境光反射的强度物体表面对环境光反射的强度物体表面对环境光反射的强度n n与与与与无关无关无关无关n n入射光的入射光的入射光的入射光的入射方向入射方向入射方向入射方向n n观察者的观察者的观察者的观察者的观察方向观察方向观察方向观察方向n n物体物体物体物体表面的朝向表面的朝向表面的朝向表面的朝向n n仅与仅与仅与仅与有关有关有关有关n n环境光强度环境光强度环境光强度环境光强度n n物体表面对环境光的物体表面对环境光的物体表面对环境光的物体表面对环境光的反射系数反射系数反射系数反射系数（材质属性
9、）（材质属性）（材质属性）（材质属性）环境光模型(4/4)缺点缺点n n物体各个面具有同样的亮度物体各个面具有同样的亮度物体各个面具有同样的亮度物体各个面具有同样的亮度n n只能为景物表面产生一个平淡的明暗效果只能为景物表面产生一个平淡的明暗效果只能为景物表面产生一个平淡的明暗效果只能为景物表面产生一个平淡的明暗效果n n观察者很难辨别景物各个面的层次观察者很难辨别景物各个面的层次观察者很难辨别景物各个面的层次观察者很难辨别景物各个面的层次n n不真实，不实用不真实，不实用不真实，不实用不真实，不实用n n绘制三维场景时很少仅考虑环境光的作用绘制三维场景时很少仅考虑环境光的作用绘制三维场景时很
10、少仅考虑环境光的作用绘制三维场景时很少仅考虑环境光的作用n n通常至少要用一个点光源来照射物体通常至少要用一个点光源来照射物体通常至少要用一个点光源来照射物体通常至少要用一个点光源来照射物体n n在调试阶段可节省不必要的明暗度计算在调试阶段可节省不必要的明暗度计算在调试阶段可节省不必要的明暗度计算在调试阶段可节省不必要的明暗度计算n n调试变换、投影、求交、消隐程序调试变换、投影、求交、消隐程序调试变换、投影、求交、消隐程序调试变换、投影、求交、消隐程序漫反射模型(1/3)diffuse reflectionn n可看成光穿过物体表面层被部分可看成光穿过物体表面层被部分可看成光穿过物体表面层被
11、部分可看成光穿过物体表面层被部分吸收后重新发射吸收后重新发射吸收后重新发射吸收后重新发射出来的光出来的光出来的光出来的光n n自然界中的绝大多数景物为自然界中的绝大多数景物为理想漫反射体理想漫反射体n n粗糙、无光泽表面，如纸张、石灰粉刷的白墙等粗糙、无光泽表面，如纸张、石灰粉刷的白墙等粗糙、无光泽表面，如纸张、石灰粉刷的白墙等粗糙、无光泽表面，如纸张、石灰粉刷的白墙等漫反射模型(2/3)LambertLambert余弦定律余弦定律余弦定律余弦定律n n理想漫反射体理想漫反射体理想漫反射体理想漫反射体n n在点光源照射下的光的反射规律在点光源照射下的光的反射规律在点光源照射下的光的反射规律在点
12、光源照射下的光的反射规律n n漫反射光强度漫反射光强度漫反射光强度漫反射光强度n n同入射光与物体表面法向之间夹同入射光与物体表面法向之间夹同入射光与物体表面法向之间夹同入射光与物体表面法向之间夹角的余弦成正比角的余弦成正比角的余弦成正比角的余弦成正比 景物表面在被照射点处的漫反射光的光强景物表面在被照射点处的漫反射光的光强漫反射模型(3/3)特点：l对光线沿各个方向作同等光强的散射l各点反射光的强度只与有关l点光源强度、入射角l物体表面的反射系数l物体各面的朝向l而与无关l观察者的观察位置镜面反射模型（1/9）Specular Reflectionn n是物体外表面对入射光的直接反射直接反射
13、非漫反射体n n有光泽的表面，如光滑的塑料、擦亮的金属等高光高光区域n nhigh lightn n物体表面越光滑，高光区越小，越亮理想的反射体（纯镜面）理想的反射体（纯镜面）n n入射光严格遵循光的反射定律单向地反射出去入射光严格遵循光的反射定律单向地反射出去一般光滑表面一般光滑表面n n在微观上物体表面面元是由许多朝向不同的微小平面组成在微观上物体表面面元是由许多朝向不同的微小平面组成n n其镜面反射光分布于物面镜面反射方向的周围其镜面反射光分布于物面镜面反射方向的周围 理想镜面反射LNPRVLNPR粗糙表面的镜面反射一般光滑表面镜面反射LNPR镜面反射模型（2/9）镜面反射模型（3/9）
14、镜面反射光特点n n空间分布具有一定方向性空间分布具有一定方向性空间分布具有一定方向性空间分布具有一定方向性n n光强不仅取决于入射光和表面材料，还光强不仅取决于入射光和表面材料，还与观察方向与观察方向与观察方向与观察方向有关有关有关有关n n具有与入射光相同的性质具有与入射光相同的性质具有与入射光相同的性质具有与入射光相同的性质LNPR镜面反射镜面反射模型（4/9）1973年，Phong Bui Tuong（博士论文）提出Phong镜面反射模型n n简称Phong模型n n计算镜面反射光光强的经验公式镜面反射模型（5/9）PhongPhong模型模型采用余弦函数的幂次模拟一般光滑表面的镜面反
15、采用余弦函数的幂次模拟一般光滑表面的镜面反射光光强的空间分布射光光强的空间分布镜面反射模型（6/9）镜面高光指数镜面高光指数用于模拟镜面反射光在空间的会聚程度由物体表面材质的光滑程度决定镜面反射模型（7/9）镜面高光指数镜面高光指数较光滑的物体表面（如金属、玻璃等）光强的空间分布较集中，高光范围较小宜取较大的值（大于100或更大）粗糙的物体表面（如纸张、木材、粉笔等）光强的空间分布较分散，高光范围较大宜取较小的值（小于或接近于1）镜面反射模型（8/9）PhongPhong光照明模型光照明模型光照明模型光照明模型为计算方便，镜面高光分量可改写成为计算方便，镜面高光分量可改写成 漫反射分量漫反射分
16、量 泛光泛光镜面高光分量镜面高光分量 Li NRiViiiPHi真实感图形学中提出的第一个有影响的光照明模型存在问题存在问题n n显示出的物体（如塑料）没有质感显示出的物体（如塑料）没有质感n n环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光n n镜面反射的颜色是光源颜色，与物体的材料无关镜面反射的颜色是光源颜色，与物体的材料无关n n镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真镜面反射的计算在入射角很大时会产生失真镜面反射模型（9/9）简单透明模型（1/5）透明物体透明物体n n如玻璃杯、花瓶、水如玻璃杯、花瓶、水n n不但会反射光，还会不但会反射光，还会透射
17、光透射光透射光透射光n n可通过它看到它背后的物体可通过它看到它背后的物体折射的几何定律折射的几何定律折射的几何定律折射的几何定律n nSnellSnell定理定理 折射的几何定律示意图入射光线表面法线反射光线透射光线交界面媒质1媒质2简单透明模型（2/5）折射对视觉产生的影响折射对视觉产生的影响 n n折射导致光的传播方向发生改变折射导致光的传播方向发生改变n n会影响到物体的可见性会影响到物体的可见性 折射现象对视觉产生的影响ab123434简单透明模型（3/5）精确模拟折射现象n n需要大量计算，很费时需要大量计算，很费时简单透明模型简单透明模型n n不考虑折射的影响不考虑折射的影响n
18、n假设各物体间的假设各物体间的折射率不变折射率不变n n折射角总是等于入射角折射角总是等于入射角好处好处n n加速了光强度的计算加速了光强度的计算n n对较薄的多边形表面也可生成合理的透明效果对较薄的多边形表面也可生成合理的透明效果简单透明模型（4/5）简单透明模型简单透明模型n nNewellNewell和和SancheSanche提出提出 不考虑折射的简单的透明模型透明物体I1I2简单透明模型（5/5）若第二个物体表面也是透明面n n上述算法可以递归地进行下去上述算法可以递归地进行下去n n直到遇到一个不透明面或背景时为止直到遇到一个不透明面或背景时为止 适应性适应性n n线性近似算法不适
19、用于曲面物体线性近似算法不适用于曲面物体n n因为在曲面的侧影轮廓线上，材料的厚度减少因为在曲面的侧影轮廓线上，材料的厚度减少了透明度了透明度多边形表示的明暗处理（1/7）问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出n n用多边形网格来逼近和表示曲面时用多边形网格来逼近和表示曲面时用多边形网格来逼近和表示曲面时用多边形网格来逼近和表示曲面时n n曲面光照效果就呈现不连续的光亮度跳跃变化曲面光照效果就呈现不连续的光亮度跳跃变化曲面光照效果就呈现不连续的光亮度跳跃变化曲面光照效果就呈现不连续的光亮度跳跃变化 解决方法解决方法解决方法解决方法n n用尽可能小的多边形来逼近和表示曲面，使光照效果中存用尽可
20、能小的多边形来逼近和表示曲面，使光照效果中存用尽可能小的多边形来逼近和表示曲面，使光照效果中存用尽可能小的多边形来逼近和表示曲面，使光照效果中存在的不连续的光亮度跳跃变化小于人类视觉的分辨率在的不连续的光亮度跳跃变化小于人类视觉的分辨率在的不连续的光亮度跳跃变化小于人类视觉的分辨率在的不连续的光亮度跳跃变化小于人类视觉的分辨率n n GouraudGouraud明暗处理明暗处理明暗处理明暗处理 n n PhongPhong明暗处理明暗处理明暗处理明暗处理 Gouraud明暗处理明暗处理n n多边形内部各点颜色的获得多边形内部各点颜色的获得多边形内部各点颜色的获得多边形内部各点颜色的获得n n对
21、顶点颜色双线性插值对顶点颜色双线性插值对顶点颜色双线性插值对顶点颜色双线性插值亮度双线性插值扫描线x231ypab4多边形表示的明暗处理（2/7）Gouraud明暗处理步骤明暗处理步骤对多边形网格中的每一个多边形：对多边形网格中的每一个多边形：对多边形网格中的每一个多边形：对多边形网格中的每一个多边形：1 1）计算多边形的单位法矢量；）计算多边形的单位法矢量；）计算多边形的单位法矢量；）计算多边形的单位法矢量；2 2）计算多边形顶点的单位法矢量；）计算多边形顶点的单位法矢量；）计算多边形顶点的单位法矢量；）计算多边形顶点的单位法矢量；3 3）利用光照模型计算顶点的颜色；）利用光照模型计算顶点的
22、颜色；）利用光照模型计算顶点的颜色；）利用光照模型计算顶点的颜色；4 4）在扫描线消隐算法中）在扫描线消隐算法中）在扫描线消隐算法中）在扫描线消隐算法中 对对对对多边形顶点颜色多边形顶点颜色多边形顶点颜色多边形顶点颜色进行进行进行进行双线性插值双线性插值双线性插值双线性插值 获得位于多边形内扫描线上各点的颜色获得位于多边形内扫描线上各点的颜色获得位于多边形内扫描线上各点的颜色获得位于多边形内扫描线上各点的颜色多边形表示的明暗处理（3/7）优点优点n n简单易行简单易行简单易行简单易行缺点缺点n n只适用于简单的漫反射光照模型只适用于简单的漫反射光照模型只适用于简单的漫反射光照模型只适用于简单的
23、漫反射光照模型n n线性光强度插值引起的线性光强度插值引起的线性光强度插值引起的线性光强度插值引起的Mach-bandMach-band效应效应效应效应多边形表示的明暗处理（4/7）Phong明暗处理明暗处理n n多边形内部各点法矢量的获得多边形内部各点法矢量的获得多边形内部各点法矢量的获得多边形内部各点法矢量的获得n n对顶点法矢量双线性插值对顶点法矢量双线性插值对顶点法矢量双线性插值对顶点法矢量双线性插值多边形表示的明暗处理（5/7）Phong明暗处理明暗处理步骤步骤 1 1）计算多边形的单位法矢量；）计算多边形的单位法矢量；）计算多边形的单位法矢量；）计算多边形的单位法矢量；2 2）计算
24、多边形顶点的单位法矢量；）计算多边形顶点的单位法矢量；）计算多边形顶点的单位法矢量；）计算多边形顶点的单位法矢量；3 3）在扫描线消隐算法中）在扫描线消隐算法中）在扫描线消隐算法中）在扫描线消隐算法中 对对对对多边形顶点法矢量多边形顶点法矢量多边形顶点法矢量多边形顶点法矢量进行进行进行进行双线性插值双线性插值双线性插值双线性插值 获得位于多边形内的扫描线上各点的法矢量；获得位于多边形内的扫描线上各点的法矢量；获得位于多边形内的扫描线上各点的法矢量；获得位于多边形内的扫描线上各点的法矢量；4 4）利用光照模型计算各点的颜色）利用光照模型计算各点的颜色）利用光照模型计算各点的颜色）利用光照模型计算
25、各点的颜色多边形表示的明暗处理（6/7）优点优点n n绘制的图形比绘制的图形比绘制的图形比绘制的图形比GouraudGouraud方法更真实方法更真实方法更真实方法更真实 缺点缺点n n计算量远大于计算量远大于计算量远大于计算量远大于GouraudGouraud方法方法方法方法 多边形表示的明暗处理（7/7）半色调技术（1/15）Halftonen n在在在在光强等级范围较小的输出设备光强等级范围较小的输出设备光强等级范围较小的输出设备光强等级范围较小的输出设备上输出图像上输出图像上输出图像上输出图像n n将多灰度级图像数据转换成能反映其灰度变化将多灰度级图像数据转换成能反映其灰度变化将多灰度
26、级图像数据转换成能反映其灰度变化将多灰度级图像数据转换成能反映其灰度变化的黑白二值图像的黑白二值图像的黑白二值图像的黑白二值图像n n通过将多个像素单元组合起来表示一种强度值通过将多个像素单元组合起来表示一种强度值通过将多个像素单元组合起来表示一种强度值通过将多个像素单元组合起来表示一种强度值目的目的n n获得较多的灰度等级数目获得较多的灰度等级数目获得较多的灰度等级数目获得较多的灰度等级数目 n n提高图像的视觉分辨率提高图像的视觉分辨率提高图像的视觉分辨率提高图像的视觉分辨率 半色调技术（2/15）原理原理原理原理n n基于生理现象基于生理现象基于生理现象基于生理现象n n当我们观察一个包
27、含几个像素的小区域时当我们观察一个包含几个像素的小区域时当我们观察一个包含几个像素的小区域时当我们观察一个包含几个像素的小区域时n n眼睛通过取整或将细节取平均而得到一个总体的灰度效果眼睛通过取整或将细节取平均而得到一个总体的灰度效果眼睛通过取整或将细节取平均而得到一个总体的灰度效果眼睛通过取整或将细节取平均而得到一个总体的灰度效果输出设备（打印机）输出设备（打印机）输出设备（打印机）输出设备（打印机）n n利用这种视觉效果来再现多灰度级图像利用这种视觉效果来再现多灰度级图像利用这种视觉效果来再现多灰度级图像利用这种视觉效果来再现多灰度级图像n n半色调图像半色调图像半色调图像半色调图像应用应
28、用应用应用n n色染、纺织、彩色打印、印刷等领域色染、纺织、彩色打印、印刷等领域色染、纺织、彩色打印、印刷等领域色染、纺织、彩色打印、印刷等领域半色调技术（3/15）模式单元法模式单元法n nhalftone patternshalftone patternsn n用用用用矩形区域中像素的不同排列模式矩形区域中像素的不同排列模式矩形区域中像素的不同排列模式矩形区域中像素的不同排列模式来代表不同来代表不同来代表不同来代表不同的像素灰度等级的像素灰度等级的像素灰度等级的像素灰度等级n n用用用用点的稀密程度点的稀密程度点的稀密程度点的稀密程度来表现明暗来表现明暗来表现明暗来表现明暗半色调技术（4/
29、15）可显示的灰度等级数目取决于可显示的灰度等级数目取决于可显示的灰度等级数目取决于可显示的灰度等级数目取决于n n矩形模式单元中所包含的像素数目矩形模式单元中所包含的像素数目矩形模式单元中所包含的像素数目矩形模式单元中所包含的像素数目n n系统能显示的等级数目系统能显示的等级数目系统能显示的等级数目系统能显示的等级数目n n在二级灰度系统中，若每个单元中包含在二级灰度系统中，若每个单元中包含在二级灰度系统中，若每个单元中包含在二级灰度系统中，若每个单元中包含n n n n个像素，则可个像素，则可个像素，则可个像素，则可表示表示表示表示n n2 2+1+1种灰度等级。种灰度等级。种灰度等级。种
30、灰度等级。二级灰度系统中表示5个灰度等级的22像素网格灰级0灰级1灰级2灰级3灰级4二级灰度系统中表示10个灰度等级的33像素网格灰级0灰级1灰级2灰级3灰级4灰级7灰级8灰级6灰级9灰级5半色调技术（5/15）设置像素模式的原则设置像素模式的原则 n n从中心向外扩展从中心向外扩展从中心向外扩展从中心向外扩展 n n不使用水平或垂直的点列不使用水平或垂直的点列不使用水平或垂直的点列不使用水平或垂直的点列 n n避免分散、孤立避免分散、孤立避免分散、孤立避免分散、孤立 不好的设置模式(a)(b)(c)(d)(e)半色调技术（6/15）缺点缺点n n图像视觉分辨率的改善以牺牲图像的空间分辨图像视
31、觉分辨率的改善以牺牲图像的空间分辨图像视觉分辨率的改善以牺牲图像的空间分辨图像视觉分辨率的改善以牺牲图像的空间分辨率为代价率为代价率为代价率为代价n n只有在图像分辨率低于输出设备分辨率时，这只有在图像分辨率低于输出设备分辨率时，这只有在图像分辨率低于输出设备分辨率时，这只有在图像分辨率低于输出设备分辨率时，这种结果才是可以接受的种结果才是可以接受的种结果才是可以接受的种结果才是可以接受的 半色调技术（7/15）抖动抖动n nDitheringDitheringn n在在在在不降低图像空间分辨率不降低图像空间分辨率不降低图像空间分辨率不降低图像空间分辨率的情况下的情况下的情况下的情况下n n提
32、高图像的视觉分辨率提高图像的视觉分辨率提高图像的视觉分辨率提高图像的视觉分辨率 两类两类n n模式抖动模式抖动模式抖动模式抖动（pattern ditheringpattern dithering）n n误差扩散误差扩散误差扩散误差扩散（error diffusionerror diffusion）半色调技术（8/15）模式抖动模式抖动n n以固定模式的抖动噪音添加于像素之上以柔化以固定模式的抖动噪音添加于像素之上以柔化以固定模式的抖动噪音添加于像素之上以柔化以固定模式的抖动噪音添加于像素之上以柔化其灰度运算其灰度运算其灰度运算其灰度运算n n在图像中引入一个随机误差，在每一像素的灰在图像中引
33、入一个随机误差，在每一像素的灰在图像中引入一个随机误差，在每一像素的灰在图像中引入一个随机误差，在每一像素的灰度与所选阈值比较之前，将这一误差加到该像度与所选阈值比较之前，将这一误差加到该像度与所选阈值比较之前，将这一误差加到该像度与所选阈值比较之前，将这一误差加到该像素的灰度值上素的灰度值上素的灰度值上素的灰度值上 半色调技术（9/15）有序抖动矩阵方法有序抖动矩阵方法 n nJarvisJarvis提出提出提出提出n n将误差模式看成一个矩阵将误差模式看成一个矩阵将误差模式看成一个矩阵将误差模式看成一个矩阵n n被称为抖动矩阵被称为抖动矩阵被称为抖动矩阵被称为抖动矩阵抖动矩阵的构造抖动矩阵
34、的构造n n矩阵中的相邻元素的值相差越大越好矩阵中的相邻元素的值相差越大越好矩阵中的相邻元素的值相差越大越好矩阵中的相邻元素的值相差越大越好n n矩阵中每个元素的值之出现一次矩阵中每个元素的值之出现一次矩阵中每个元素的值之出现一次矩阵中每个元素的值之出现一次 半色调技术（10/15）n n抖动矩阵抖动矩阵n n再现再现再现再现n n2 2个灰度等级个灰度等级个灰度等级个灰度等级递归生成递归生成半色调技术（11/15）Jarvis抖动处理步骤抖动处理步骤n n把原位图的个像素的灰度值变换到把原位图的个像素的灰度值变换到把原位图的个像素的灰度值变换到把原位图的个像素的灰度值变换到0,n0,n22范
35、围范围范围范围内内内内n n将误差模式以重复的棋盘格式加到图像中将误差模式以重复的棋盘格式加到图像中将误差模式以重复的棋盘格式加到图像中将误差模式以重复的棋盘格式加到图像中n n将图像中每个像素的灰度值将图像中每个像素的灰度值将图像中每个像素的灰度值将图像中每个像素的灰度值I I(x x,y y)与一个抖动矩阵中与一个抖动矩阵中与一个抖动矩阵中与一个抖动矩阵中的相应元素的相应元素的相应元素的相应元素D D(i i,j j)进行比较进行比较进行比较进行比较n n以决定显示的灰度值以决定显示的灰度值以决定显示的灰度值以决定显示的灰度值半色调技术（12/15）优点优点n n速度快速度快速度快速度快n
36、 n随着随着随着随着n n的增加，图像不丢失它的空间分辨率的增加，图像不丢失它的空间分辨率的增加，图像不丢失它的空间分辨率的增加，图像不丢失它的空间分辨率缺点缺点n n处理效果不好，处理效果不好，处理效果不好，处理效果不好，赝象赝象赝象赝象（artifactartifact）半色调技术（13/15）误差扩散的原理误差扩散的原理n n从单个像素的角度来理解从单个像素的角度来理解从单个像素的角度来理解从单个像素的角度来理解n n将一个给定像素的灰度值与显示像素灰度值之将一个给定像素的灰度值与显示像素灰度值之将一个给定像素的灰度值与显示像素灰度值之将一个给定像素的灰度值与显示像素灰度值之间的误差分散
37、到当前像素的右方或下方的像素间的误差分散到当前像素的右方或下方的像素间的误差分散到当前像素的右方或下方的像素间的误差分散到当前像素的右方或下方的像素中去中去中去中去 半色调技术（14/15）Floyd-Steinberg filter Floyd-Steinberg filter的误差扩散3/165/161/167/16x只需一次扫描即可将全部像素点亮半色调技术半色调技术（15/15）优点优点n n处理的效果好，不会产生赝象处理的效果好，不会产生赝象处理的效果好，不会产生赝象处理的效果好，不会产生赝象缺点缺点n n处理速度慢处理速度慢处理速度慢处理速度慢表面纹理细节模拟（1/2）简单光照明模型
38、的缺陷简单光照明模型的缺陷简单光照明模型的缺陷简单光照明模型的缺陷n n只能模拟只能模拟只能模拟只能模拟光滑景物表面光滑景物表面光滑景物表面光滑景物表面n n只考虑了表面法向的变化只考虑了表面法向的变化只考虑了表面法向的变化只考虑了表面法向的变化n n假设表面反射系数为一常数假设表面反射系数为一常数假设表面反射系数为一常数假设表面反射系数为一常数 表面纹理细节模拟（2/2）纹理分类纹理分类纹理分类纹理分类 n n纹理定义域纹理定义域纹理定义域纹理定义域 n n二维纹理二维纹理二维纹理二维纹理n n三维纹理三维纹理三维纹理三维纹理 n n纹理的表现形式纹理的表现形式纹理的表现形式纹理的表现形式
39、n n颜色纹理颜色纹理颜色纹理颜色纹理n n呈现在物体表面上的各种花纹、图案和文字等呈现在物体表面上的各种花纹、图案和文字等呈现在物体表面上的各种花纹、图案和文字等呈现在物体表面上的各种花纹、图案和文字等 n n几何纹理几何纹理几何纹理几何纹理n n基于景物表面微观几何形状的表面纹理基于景物表面微观几何形状的表面纹理基于景物表面微观几何形状的表面纹理基于景物表面微观几何形状的表面纹理 n n过程纹理过程纹理过程纹理过程纹理n n表现各种规则或不规则的动态变化的自然景象表现各种规则或不规则的动态变化的自然景象表现各种规则或不规则的动态变化的自然景象表现各种规则或不规则的动态变化的自然景象 颜色纹
40、理（1/8）颜色纹理颜色纹理颜色纹理颜色纹理n n基于基于二维纹理映射（二维纹理映射（二维纹理映射（二维纹理映射（texture mappingtexture mapping）技术）技术）技术）技术生成生成 定义方法定义方法定义方法定义方法 n n连续法连续法连续法连续法n n用数学函数解析地表达，函数的定义域就是纹理空间用数学函数解析地表达，函数的定义域就是纹理空间用数学函数解析地表达，函数的定义域就是纹理空间用数学函数解析地表达，函数的定义域就是纹理空间n n离散法离散法离散法离散法n n用各种数字化图像来离散定义用各种数字化图像来离散定义用各种数字化图像来离散定义用各种数字化图像来离散定
41、义n n纹理空间坐标系中表示光亮度值的一个矩形数组纹理空间坐标系中表示光亮度值的一个矩形数组纹理空间坐标系中表示光亮度值的一个矩形数组纹理空间坐标系中表示光亮度值的一个矩形数组n n程序生成程序生成程序生成程序生成n n扫描输入扫描输入扫描输入扫描输入n n通过交互式系统绘制得到通过交互式系统绘制得到通过交互式系统绘制得到通过交互式系统绘制得到颜色纹理（2/8）棋盘方格纹理棋盘方格纹理棋盘方格纹理棋盘方格纹理粗布纹理粗布纹理粗布纹理粗布纹理A为0,1上的随机变量，p,q为频率系数颜色纹理（3/8）二维纹理映射的基本原理二维纹理映射的基本原理二维纹理映射的基本原理二维纹理映射的基本原理n n确定
42、景物表面上任一可见点确定景物表面上任一可见点确定景物表面上任一可见点确定景物表面上任一可见点P P P P在纹理空间中的对应位置在纹理空间中的对应位置在纹理空间中的对应位置在纹理空间中的对应位置(u,v(u,v(u,v(u,v)n n用用用用(u,v)(u,v)处所定义的纹理值或颜色值处所定义的纹理值或颜色值处所定义的纹理值或颜色值处所定义的纹理值或颜色值作为作为作为作为P P P P点的反射系数点的反射系数点的反射系数点的反射系数n n或用或用或用或用(u,v)(u,v)处所定义的纹理值或颜色值处所定义的纹理值或颜色值处所定义的纹理值或颜色值处所定义的纹理值或颜色值对反射系数调制对反射系数调
43、制对反射系数调制对反射系数调制n n达到对物体原来的表面亮度或颜色值进行混合的效果达到对物体原来的表面亮度或颜色值进行混合的效果达到对物体原来的表面亮度或颜色值进行混合的效果达到对物体原来的表面亮度或颜色值进行混合的效果n n按照光照模型计算出按照光照模型计算出按照光照模型计算出按照光照模型计算出P P点的亮度或颜色值点的亮度或颜色值点的亮度或颜色值点的亮度或颜色值纹理映射的构造纹理映射的构造 从数学的观点来看，映射从数学的观点来看，映射M可用下式描述可用下式描述 (u,v)=F(x,y,z)(u,v)TextureSpace 颜色纹理（4/8）参数曲面参数曲面 (x,y,z)=F(u,v)定
44、义了二维参数空间到三维物体空间的映射关系定义了二维参数空间到三维物体空间的映射关系 当当将参数空间和纹理空间等同将参数空间和纹理空间等同（两者之间关系由一仿射变（两者之间关系由一仿射变换确定）起来时，换确定）起来时，若若 F 可逆可逆，则纹理映射关系等价于参数曲面自则纹理映射关系等价于参数曲面自身定义的逆映射身定义的逆映射 (u,v)=F-1(x,y,z)对复杂的高次参数曲面，其逆映射一般无法解析表达！对复杂的高次参数曲面，其逆映射一般无法解析表达！一般采用数值求解技术来离散求得一般采用数值求解技术来离散求得颜色纹理（5/8）例：例：高为高为 h，半径为，半径为 r 的圆柱面可用下面的参数形式
45、来表达的圆柱面可用下面的参数形式来表达 xr cos yr sin ，zh 若若通通过过下下述述线线性性变变换换将将纹纹理理空空间间0,10,1与与参参数数空空间间0,20,1等同起来等同起来 u=/2 =则则由由该该圆圆柱柱面面的的参参数数表表达达式式，容容易易得得到到从从景景物物空空间间到到纹纹理理空空间间的纹理映射表达式的纹理映射表达式颜色纹理（6/8）纹理空间纹理空间参数空间参数空间景物空间景物空间颜色纹理（7/8）颜色纹理（8/8）缺陷缺陷：n n只能在只能在只能在只能在光滑表面光滑表面光滑表面光滑表面上描绘各种事先定义的花纹图案上描绘各种事先定义的花纹图案上描绘各种事先定义的花纹图
46、案上描绘各种事先定义的花纹图案n n不能表现由于不能表现由于不能表现由于不能表现由于表面的微观几何形状凹凸不平表面的微观几何形状凹凸不平表面的微观几何形状凹凸不平表面的微观几何形状凹凸不平而呈而呈而呈而呈现出来的粗糙质感现出来的粗糙质感现出来的粗糙质感现出来的粗糙质感几何纹理（1/4）凹凸纹理凹凸纹理n nbump mapping bump mapping n n19781978年，年，BlinnBlinn提出提出几何纹理（2/4）法向扰动法法向扰动法n n对景物表面各采样点位置作微小的扰动对景物表面各采样点位置作微小的扰动对景物表面各采样点位置作微小的扰动对景物表面各采样点位置作微小的扰动n
47、 n改变表面的微观几何形状改变表面的微观几何形状改变表面的微观几何形状改变表面的微观几何形状n n引起景物表面引起景物表面引起景物表面引起景物表面法向量的扰动法向量的扰动法向量的扰动法向量的扰动n n景物表面光亮度是法向量的函数景物表面光亮度是法向量的函数景物表面光亮度是法向量的函数景物表面光亮度是法向量的函数n n法向量的扰动导致法向量的扰动导致法向量的扰动导致法向量的扰动导致表面光亮度的突变表面光亮度的突变表面光亮度的突变表面光亮度的突变n n产生表面凹凸不平的真实效果产生表面凹凸不平的真实效果产生表面凹凸不平的真实效果产生表面凹凸不平的真实效果难点难点n n扰动函数扰动函数扰动函数扰动函
48、数的选取的选取的选取的选取 设景物表面由下述参数方程来定义：设景物表面由下述参数方程来定义：Q=Q(u,v)在在景景物物表表面面每每一一采采样样点点处处沿沿其其法法向向附附加加一一微微小小增增量量，从而生成一张新的表面，它可表示为：从而生成一张新的表面，它可表示为：Q(u,v)=Q(u,v)+(u,v)N几何纹理（3/4）扰动后的法向量扰动后的法向量 N=N+D=N+Pu A Pv B几何纹理（4/4）过程纹理(1/6)Procedure Texture Mapping用过程式方法用过程式方法n n将纹理空间中的值映射到物体表面将纹理空间中的值映射到物体表面将纹理空间中的值映射到物体表面将纹理
49、空间中的值映射到物体表面n n生成生成生成生成三维纹理三维纹理三维纹理三维纹理 过程纹理(2/6)木纹函数木纹函数木纹函数木纹函数n n采用一组采用一组采用一组采用一组共轴圆柱面共轴圆柱面共轴圆柱面共轴圆柱面来定义来定义来定义来定义n n位于相邻圆柱面之间的点的纹理函数值位于相邻圆柱面之间的点的纹理函数值位于相邻圆柱面之间的点的纹理函数值位于相邻圆柱面之间的点的纹理函数值n n交替地取为交替地取为交替地取为交替地取为“明明明明”和和和和“暗暗暗暗”n n景物内任意一点的纹理函数值景物内任意一点的纹理函数值景物内任意一点的纹理函数值景物内任意一点的纹理函数值n n根据它到圆柱轴线所经过的面个数的
50、奇偶性而取为根据它到圆柱轴线所经过的面个数的奇偶性而取为根据它到圆柱轴线所经过的面个数的奇偶性而取为根据它到圆柱轴线所经过的面个数的奇偶性而取为“明明明明”和和和和“暗暗暗暗”n nPeacheyPeachey引入三个操作来避免规范引入三个操作来避免规范引入三个操作来避免规范引入三个操作来避免规范n n扰动扰动扰动扰动（perturbingperturbing）n n扭曲扭曲扭曲扭曲（twistingtwisting）n n倾斜倾斜倾斜倾斜（tiltingtilting）。）。过程纹理(3/6)涡流函数涡流函数涡流函数涡流函数n nturbulenceturbulencen nPerlinPe