計算機圖形學筆記
阿新 • • 發佈：2022-04-06
CG光照模型相關筆記
## 計算機圖形學 ## 處理彩色影象
顏色的屬性：
## 1.色相
色相（Hue）即色彩的面貌，色相的區別是由光波波長的長短決定的。
- 原色 - 間色 - 複合色
## 2.亮度 亮度也稱為透明度（brightness）
## 3.純度
純度（purity）也稱為飽和度（saturation）。當影象的把配合度為0的時候，影象就會變成一個灰度影象，反之亦然。
**色相和純度兩種特徵混合後形成的屬性又稱為色度（Chromaticity），也稱為色品。** 常用的色彩空間 - RGB色彩空間（紅（red），綠（green），藍（blue）） - CMY/CMYK顏色空間（青（Cyan），品紅（Magenta），黃（Yellow）） - HSV/HSB顏色空間(色相（Hue），飽和度（saturation），明度(Value)，亮度（brightness）) - HSI/HSL顏色空間（色調（Hue），飽和度（saturation），強度（Intensity），明亮程度（Luminance）） - YUV/YCbCr顏色空間
## 顏色模型 ### 什麼是顏色？ ### 什麼是顏色模型？
也就是說顏色模型（空間），表示顏色的一種數學方式。 幾乎所有的顏色模型都是從RGB顏色模型匯出。
### 常用的顏色模型 - RGB顏色工業模型 - 其他顏色工業模型
- YIQ - YUV - YCbCr
其中，Y分量均代表黑白亮度分量，其餘分量用於顯示彩色資訊。
- 顏色視覺模型（HSI） - 色調（Hue）：物體反色光線中佔據優勢的波長決定的，是彩色互相區分的基本特性。 - 飽和度（Saturation 也成彩度）：彩色的深淺程度，它取決與彩色中白色的含量。飽和度越高，彩色越深，白色光越少。 - 亮度（Illumination）：光波作用於感受器所發生的效應，它取決於物體的反射係數。反射係數越大，物體亮度越大。
以上三要素來描述彩色空間能夠更好地與人的視覺特性相匹配 - 其他顏色視覺模型 - HSV（hue，saturation， value(明度)） - HSL (hue，saturation， Lightness(亮度)）
## 簡單光照模型
### 光照模型
當物體的集合形態確定之後，光照決定了整個場景的顯示結果，因此真實感圖形的生成取決於如何建立一個合適的光照模型（illunination model）。
### 背景物理知識 - 光的傳播定律 - 反射定律 - 折射定律 - 能量關係（瞞住能量守恆） - 常見的光： - 漫反射光：漫反射光主要有表面的粗糙程度決定。 - 鏡面反射光 - 折射光 - 吸收光
### Phong光照模型 環境光 + 漫反射光 + 鏡面反射光
- 環境光：鄰近個物體所產生的光多次反射最終達到平衡時的一種光。可近似認為同一環境下的環境光，其光強分佈是均勻的。 - 漫反射光：服從Lambert定律： - 鏡面反射光：
### 如何進行明暗處理 基本思想：每一個多邊形的頂點計算出光照強度或者引數，然後再各多邊形內部進行均勻插值。 常用方法 Gouraud明暗處理（雙線性光強插值演算法） Phong明暗處理（雙線性法向插值演算法） ### 插值演算法 利用某一個函式技術來計算出兩個或者更多值之間的值，例如最簡單的求算數平均數(x+y)/2.
### Gouraud明暗處理（雙線性光強插值演算法） - 第一步：計算多邊形頂點的平均法向。 - 第二步：用Phong光照模型計算頂點的光的強度。 - 第三步：插值計算離散邊上個點的光強。 - 第四步：插值計算多邊形內域中個點的光強。 - 為了減少計算量，採用增量計算方法。 - 不足： - 不能有鏡面反射光（高光） - 雙線性插值是吧能量往四周均勻，平均的結果就是光斑被擴大了，本來沒有光斑的底層一插值反而出現了光斑。
### Phong明暗處理 - 雙線性光強插值？==》雙線性法向插值 - 以時間為代價，引入鏡面反射，解決高光問題。
實現步驟：
- 計算每個多邊形頂點處的平均單位法向量。 - 用雙線性插值方法求得多邊形內部個點的法向量。 - 最後按光照模型確定多邊形內部各點的光強。
### 區域性光照模型
僅處理光源直接照射物體表面的光照模型。
簡單光照模型，不足之處：鏡面反射與物體表面的材質無關。
原理： 自然光反射率係數可用Fresnel公式計算。
## 計算機圖形學 ## 處理彩色影象
顏色的屬性：
## 1.色相
色相（Hue）即色彩的面貌，色相的區別是由光波波長的長短決定的。
- 原色 - 間色 - 複合色
## 2.亮度 亮度也稱為透明度（brightness）
## 3.純度
純度（purity）也稱為飽和度（saturation）。當影象的把配合度為0的時候，影象就會變成一個灰度影象，反之亦然。
**色相和純度兩種特徵混合後形成的屬性又稱為色度（Chromaticity），也稱為色品。** 常用的色彩空間 - RGB色彩空間（紅（red），綠（green），藍（blue）） - CMY/CMYK顏色空間（青（Cyan），品紅（Magenta），黃（Yellow）） - HSV/HSB顏色空間(色相（Hue），飽和度（saturation），明度(Value)，亮度（brightness）) - HSI/HSL顏色空間（色調（Hue），飽和度（saturation），強度（Intensity），明亮程度（Luminance）） - YUV/YCbCr顏色空間
## 顏色模型 ### 什麼是顏色？ ### 什麼是顏色模型？
也就是說顏色模型（空間），表示顏色的一種數學方式。 幾乎所有的顏色模型都是從RGB顏色模型匯出。
### 常用的顏色模型 - RGB顏色工業模型 - 其他顏色工業模型
- YIQ - YUV - YCbCr
其中，Y分量均代表黑白亮度分量，其餘分量用於顯示彩色資訊。
- 顏色視覺模型（HSI） - 色調（Hue）：物體反色光線中佔據優勢的波長決定的，是彩色互相區分的基本特性。 - 飽和度（Saturation 也成彩度）：彩色的深淺程度，它取決與彩色中白色的含量。飽和度越高，彩色越深，白色光越少。 - 亮度（Illumination）：光波作用於感受器所發生的效應，它取決於物體的反射係數。反射係數越大，物體亮度越大。
以上三要素來描述彩色空間能夠更好地與人的視覺特性相匹配 - 其他顏色視覺模型 - HSV（hue，saturation， value(明度)） - HSL (hue，saturation， Lightness(亮度)）
## 簡單光照模型
### 光照模型
當物體的集合形態確定之後，光照決定了整個場景的顯示結果，因此真實感圖形的生成取決於如何建立一個合適的光照模型（illunination model）。
### 背景物理知識 - 光的傳播定律 - 反射定律 - 折射定律 - 能量關係（瞞住能量守恆） - 常見的光： - 漫反射光：漫反射光主要有表面的粗糙程度決定。 - 鏡面反射光 - 折射光 - 吸收光
### Phong光照模型 環境光 + 漫反射光 + 鏡面反射光
- 環境光：鄰近個物體所產生的光多次反射最終達到平衡時的一種光。可近似認為同一環境下的環境光，其光強分佈是均勻的。 - 漫反射光：服從Lambert定律： - 鏡面反射光：
### 如何進行明暗處理 基本思想：每一個多邊形的頂點計算出光照強度或者引數，然後再各多邊形內部進行均勻插值。 常用方法 Gouraud明暗處理（雙線性光強插值演算法） Phong明暗處理（雙線性法向插值演算法） ### 插值演算法 利用某一個函式技術來計算出兩個或者更多值之間的值，例如最簡單的求算數平均數(x+y)/2.
### Gouraud明暗處理（雙線性光強插值演算法） - 第一步：計算多邊形頂點的平均法向。 - 第二步：用Phong光照模型計算頂點的光的強度。 - 第三步：插值計算離散邊上個點的光強。 - 第四步：插值計算多邊形內域中個點的光強。 - 為了減少計算量，採用增量計算方法。 - 不足： - 不能有鏡面反射光（高光） - 雙線性插值是吧能量往四周均勻，平均的結果就是光斑被擴大了，本來沒有光斑的底層一插值反而出現了光斑。
### Phong明暗處理 - 雙線性光強插值？==》雙線性法向插值 - 以時間為代價，引入鏡面反射，解決高光問題。
實現步驟：
- 計算每個多邊形頂點處的平均單位法向量。 - 用雙線性插值方法求得多邊形內部個點的法向量。 - 最後按光照模型確定多邊形內部各點的光強。
### 區域性光照模型
僅處理光源直接照射物體表面的光照模型。
簡單光照模型，不足之處：鏡面反射與物體表面的材質無關。
原理： 自然光反射率係數可用Fresnel公式計算。