04-5 第四章 真实感图形显示_光照模型2.pptx

第1页：明暗的光滑处理

计算机图形学讲义 第4章 真实感图形显示——光照模型2

第2页：明暗的光滑处理

3 明暗的光滑处理

• 在计算机图形学中，曲面体（例如球）通常是用多面体逼近表达的。这时，分别计算各个面的亮度，就会在多边形与多边形的交界处产生明暗的连续变化，影响曲面的显示效果。
• 解决方法：采用插补的方法，使得表面明暗光滑化。最常使用的表面明暗光滑化的方法有两种，称为 Gourand 方法和 Phong 方法。

第3页：Gourand光滑方法

Gourand 光滑方法

基本思想：在每个多边形顶点处计算颜色，然后在各个多边形内部进行线性插值，得到多边形内部各点颜色。即它是一种颜色插值着色方法。

基本步骤：

1. 先计算出多面体顶点的法线方向。
2. 用光照模型求得 V 点的亮度。
3. 由两顶点的亮度，插值得出棱上各点的亮度。由棱上各点的亮度，插值得出面上各点的亮度。

第4页：顶点法线方向的计算

Step1：计算多面体顶点的法线方向

设与多面体顶点 V 相邻的多边形为 P1，P2，…，Pn，它们的法线分别为 N1(a1,b1,c1)，N2(a2,b2,c2)，…，Nn(an,bn,cn)。则 V 的法线 nV 取做：

nV = (a1 + a2 + … + an) i + (b1 + b2 + … + bn) j + (c1 + c2 + … + cn) k

第5页：顶点亮度与逐级插值

Step2：用光照模型求得 V 点的亮度。

Step3：由两顶点的亮度，插值得出棱上各点的亮度。由棱上各点的亮度，插值得出面上各点的亮度。

第6页：保留折痕的处理

保留 abc 折痕的情况

如果希望在某处不处理成光滑而要保留折痕效果（例如 abc），方法是在顶点 b 设置 2 条法线，分别用于 A 和 B、C 和 D 之间的插值。

第7页：Gourand方法的优缺点

Gourand 光滑化方法的优缺点

• 优点：能有效的显示漫反射曲面，计算量小
• 缺点：
  1. 高光有时会异常
  2. 当对曲面采用不同的多边形进行分割时会产生不同的效果。
  3. Gouraud 明暗处理会造成表面上出现过亮或过暗的条纹，称为马赫带（Mach_band）效应。
• 改进：Phong 提出双线性法向插值，以时间为代价，解决高光问题。

第8页：Gourand方法的缺点示意

• 明暗变化失常
• 马赫带效应

Gourand 光滑化方法的缺点示意

第9页：Phong光滑化方法

Phong 光滑化方法

• 基本思想：通过对多边形顶点的法矢量进行插值，获得其内部各点的法矢量，又称为法向插值着色方法。
• 步骤：
  1. 计算多边形单位法矢量。
  2. 计算多边形顶点单位法矢量。
  3. 对多边形顶点法矢量进行双线性插值，获得内部各点的法矢量。
  4. 利用光照明方程计算多边形内部各点颜色。

第10页：法矢量的线性插值

Phong 光滑化方法

NA 由 N1、N2 线性插值得到。

第11页：Gourand与Phong方法比较

Gourand 方法和 Phong 方法比较

• Phong 着色方法绘制的图形比 Gouraud 方法更真实，体现在两个方面：高光区域的扩散，产生正确的高光区域。
• Phong 着色方法计算量远大于 Gouraud 着色方法。
• 在处理某些多边形分割的曲面时，Phong 算法还不如 Gouraud 算法好。

第12页：高光区域效果对比

• Phong 方法可以产生正确的高光区域

Gouraud 与 Phong 的高光区域对比示意

第13页：两种方法比较小结

Gourand 方法和 Phong 方法比较小结：Gourand 方法以颜色插值实现快速光滑，Phong 方法以法向插值获得更真实的高光，实际使用需在显示质量与计算开销之间取舍。