第12章 计算机图形中真实感图形设计

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1、第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计第第12章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计12.1 光与颜色的基本知识光与颜色的基本知识12.2 光的传播规律光的传播规律12.3 一个简单的光照模型一个简单的光照模型12.4 明暗处理明暗处理12.5 光线追踪法光线追踪法12.6 阴影处理阴影处理12.7 纹理映射纹理映射习习 题题第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计12.1 光与颜色的基本知识光与颜色的基本知识12.1.1 光的明亮程度实验表明，人眼对波长为555 nm的绿光在亮度上最敏感，而对波长较长的红光和波

2、长较短的紫光则不敏感。 人眼对于波长大于780 nm和小于380 nm的光就失去了亮度感觉。 这些波长的光就是我们通常熟知的红外光和紫外光。 第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计光的明亮程度是人的眼脑视觉系统通过眼睛对光的一种感受，因此同一束光的明亮程度是可以因人而异的。 但光的辐射功率却不是因人而异的，是可以客观测量的。 因而我们可以通过光的辐射功率来反映光的明亮程度。 实验表明，眼脑视觉系统对一束光的明亮程度的感觉与光的辐射功率的大小成反比： 光的辐射功率越大，相应的光越不容易为人的眼睛所感觉得到； 光的辐射功率越小， 相应的光就越容易为人的眼睛所感觉得到

3、。 对于波长为的光，用p()表示其辐射功率。 由于人眼对光的亮度的感觉与光的辐射功率成反比，因此我们可用其倒数来度量光的亮度。 我们将p()的倒数定义为光的视敏度，用k()来表示。 于是有第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计由于视敏度是一个相对的概念，因此可以设定最大的敏感度为1。 我们已知人眼对=555nm的光具有最大敏感度，因此相对视敏度就是视敏度k()与k(555)之比。 记作v(): 光也是一种能量，可向四周空间传播。 在原点的光能量传播到半径为r的地方后，一般可以认为这部分光能量就均匀地分布在半径为r的球面上了，而球面上每一点的能量就是原来的能量除以

4、球面的面积4r2。 因此，光的亮度传播到远处后，其大小与距离的平方成反比。 )(1)(pk)()555()555()()(PPkkv(12.1.2) (12.1.1)第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计12.1.2 光的颜色及三基色模型1. 彩色视觉及三基色原理就人眼的视觉感受而言，各种颜色单以其频率来区分是不完全的，还应该同时使用色调(hue)、饱和度(saturation)和亮度(brightness)三个量来区分。 色调由彩色光的光谱成分决定，反映彩色光在质方面的特征，决定了光的颜色。 饱和度由彩色中混入白光的数量决定。 彩色光中纯光谱色的含量越高，其饱

5、和度也越高。 例如高饱和度的深红色光，在搀入白光后被冲淡而变成低饱和度的淡红色。 饱和度反映某纯光谱色的纯度。 第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计亮度由彩色光的强度决定，是彩色光引起视觉刺激的程度，反映彩色光在量方面的特征。 通常所说的色度是色调和饱和度的合称，它说明了彩色光的颜色类型和颜色的深浅程度。 人们对于人眼的彩色视觉机理提出了这样一种假设： 人眼视网膜上的锥状细胞有三种类型： 红敏细胞、绿敏细胞和蓝敏细胞。 顾名思义，它们对不同色光的亮度感觉有强烈的选择性。 三种光敏细胞对光的综合感应形成了我们主观上对光的颜色和亮度的感应。 三种光敏细胞对光的感觉

6、一致，主观上光的彩色感觉(色度和亮度)就相同。第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计2. 物理三基色和RGB三色系数选择三基色的原则是： 获得方法简单，色度稳定且准确，能配出尽可能多的颜色。为此，国际照明委员会规定了R、G、B三种光为基色，并规定了基色单位当量： R为红光，波长为700.0 nm，基色单位当量为1；G为绿光，波长为546.1nm，基色单位当量为4.5907；B为蓝光，波长为435.8 nm，基色单位当量为0.0601。当量是指用指定三基色配出标准白光时，RGB三基色的光的比例，这里为1 4.5907 0.0601。 这样，对于任意给定颜色(光)F

7、，可以将它表示为F=R, G, B (12.1.3) 第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计 此方程称为颜色(光)F的配色方程，RGB称为三色系数。 三色系数的比例决定所配彩色光的颜色，它们的数值决定所配彩色光的亮度。 RGB也称为颜色F的三基色分量或三基色坐标。 3. XYZ三色系数物理三基色具有清楚的物理意义，但在使用上却存在一些计算上的不便之处，例如： (1) 不能直接反映某一彩色光的光亮度，而要通过公式计算出来。(2) 配置最常用的白颜色时系数复杂难记。(3) 在配制高饱和的蓝色光或绿色光时，会出现负数。 第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算

8、机图形中真实感图形设计为了克服这些缺点，国际照明委员会另外规定了计算三基色，其基色单位为X、 Y、 Z。 它们虽然不代表真实的颜色，但在计算上可以克服上述物理三基色的缺点。 计算三基色与物理三基色之间可以通过一个矩阵 A联系起来： BGRAZYX(12.1.4) 第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计其中: ZYXABGR15943. 50601. 01302. 10565. 05907. 47518. 10000. 00000. 17687. 2,1786. 00157. 00828. 00025. 02524. 01587. 00009. 00912. 04

9、185. 01AA(12.1.6) 第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计如此定义的XYZ三基色系数避免了RGB三基色系数的上述不便之处，具体结论如下:(1) 某一分量的大小直接反映了相应彩色光的光亮度。 (2) 配置最常用的白颜色时，三个坐标分量系数相等即可；分量的大小反映了白颜色的强(亮)度，取最大值时为最亮的白颜色，取最小值时为最暗的白颜色。 最小值为0时就是黑颜色。(3) 在配制需要的颜色时，各个坐标分量总是非负的。 在计算机的图形处理中就采用XYZ三基色系数，并且在实际应用中实数坐标系统取各分量的最大值为1，最小值为0。 这也就是计算机图形表示中常用的

10、RGB颜色模型，如图12.1所示。第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计图12.1 RGB颜色模型示意图第第1212章章 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计4. 三基色混合起来的方法利用计算机程序选择颜色时只要指定三基色各个分量的大小就可以了。 用如下各种方法都可从物理上实现对三基色进行混合，生成所需要的颜色的功能： (1) 把三种光同时投射到一个全反射的表面上合成。 (2) 时间混合法： 把三种光轮流投射到一个全反射的表面上，只要每种颜色的光在相应的表面上停留的时间小于人眼的视觉暂留时间，人眼的彩色感觉就跟同时投射的情况相同。第第1212章章

11、 计算机图形中真实感图形设计计算机图形中真实感图形设计(3) 空间混合法： 同时把三种光投射到同一表面的三个相邻点上，只要这三个点相距足够近，超出了人眼的视觉分辨率，人眼就可以得到三种光混合的彩色感觉。 (4) 生理混合法：两只眼睛同时分别看用两种颜色表示的相同图像，可以产生混色效果。 12.1.3 常见的其它颜色模型从RGB颜色模型立方体中任意选取，即可获得规则间隔网格点，并由此可以得到一组匹配较好的颜色。 随机选取的色彩可能会导致刺眼和不柔和的颜色组合。 选择颜色组合的另一种考虑是考虑颜色搭配的某种协调性，如希望不同颜色给出不同深度上的感觉，因为我们的眼睛是按频率变化而注意到颜色的。第第1