计算机图形学基础知识-光照材质
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1.进入三维图形世界
我们生活在一个充满三维物体的三维世界中，为了使计算机能精确地再现这些物体，我们必须能在三维空间描绘这些物体。真实感图形绘制是计算机图形学的一个重要组成部分，它综合利用数学、物理学、计算机科学和其它科学知识在计算机图形设备上生成象彩色照片那样的具有真实感的图形。
一般说来，用计算机在图形设备上生成真实感图形必须完成以下四个步骤：
- 一是建模，即用一定的数学方法建立所需三维场景的几何描述，场景的几何描述直接影响图形的复杂性和图形绘制的计算耗费；
- 二是将三维几何模型经过一定变换转为二维平面透视投影图；
- 三是确定场景中所有可见面，运用隐藏面消隐算法将视域外或被遮挡住的不可见面消去；
- 四是计算场景中可见面的颜色，即根据基于光学物理的光照模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和颜色分量，并将它转换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一象素的颜色，最终生成图形。
由于真实感图形是通过景物表面的颜色和明暗色调来表现景物的几何形状、空间位置以及表面材料的，而一个物体表面所呈现的颜色是由表面向视线方向辐射的光能决定的。在计算机图形学中，常采用一个既能表示光能大小又能表示其颜色组成的物理量即光亮度或光强来描述物体表面朝某方向辐射光能的颜色。采用这个物理量可以正确描述光在物体表面的反射、透射和吸收现象，因而可以正确计算物体表面在空间给定方向上的光能颜色。
物体表面向空间给定方向辐射的光强可应用光照模型进行计算。简单的光照模型通常假定物体表面是光滑的且由理想材料构成，因此只考虑光源照射在物体表面产生的反射光，所生成的图形可以模拟不透明物体表面的明暗过度，具有一定的真实感效果。复杂的光照模型除了考虑上述因素外，还要考虑周围环境的光对物体表面的影响。如光亮平滑的物体表面会将环境中其它物体映像在表面上，而通过透明物体也可看到其后的环境景象。这类光照模型称为整体光照模型，它能模拟出镜面映像、透明等较精致的光照效果。为了更真实的绘制图形，还要考虑物体表面的细节纹理，这通常使用一种称为“纹理映射”的技术把已有的平面花纹图案映射到物体表面上，并在应用光照模型时将这些花纹的颜色考虑进去，物体表面细节的模拟使绘制的图形更接近自然景物。
2.光照模型
当光照射到一个物体表面上时，会出现三种情形。
首先，光可以通过物体表面向空间反射， 产生反射光。
其次，对于透明体，光可以穿透该物体并从另一端射出，产生透射光。
最后，部分光将被物体表面吸收而转换成热。
在上述三部分光中，仅仅是透射光和反射光能够进入人眼产生视觉效果。这里介绍的简单光照模型只考虑被照明物体表面的反射光影响，假定物体表面光滑不透明且由理想材料构成，环境假设为由白光照明。
一般来说，反射光可以分成三个分量，即环境反射、漫反射和镜面反射。
- 环境反射分量假定入射光均匀地从周围环境入射至景物表面并等量地向各个方向反射出去，通常物体表面还会受到从周围环境来的反射光（如来自地面、天空、墙壁等的反射光）的照射，这些光常统称为环境光(Ambient Light)；
- 漫反射分量表示特定光源在景物表面的反射光中那些向空间各方向均匀反射出去的光，这些光常称为漫射光(Diffuse Light)；
- 镜面反射光为朝一定方向的反射光，如一个点光源照射一个金属球时会在球面上形成一块特别亮的区域，呈现所谓“高光(Highlight)”，它是光源在金属球面上产生的镜面反射光(Specular Light)。对于较光滑物体，其镜面反射光的高光区域小而亮；相反，粗糙表面的镜面反射光呈发散状态，其高光区域大而不亮。
下图是一个带光影的灰色球体：
计算机图形学基础知识-光照材质
下图是《立几画板》中的截图及灯光属性设置：计算机图形学基础知识-光照材质
3. 材质
用材料对光的红、绿、蓝三原色的反射率来近似定义材料的颜色。
象光源一样，材料颜色也分成环境、漫反射和镜面反射成分，它们决定了材料对环境光、漫反射光和镜面反射光的反射程度。在进行光照计算时，材料对环境光的反射率与每个进入光源的环境光结合，对漫反射光的反射率与每个进入光源的漫反射光结合，对镜面光的反射率与每个进入光源的镜面反射光结合。对环境光与漫反射光的反射程度决定了材料的颜色，并且它们很相似。对镜面反射光的反射率通常是白色或灰色（即对镜面反射光中红、绿、蓝的反射率相同）。镜面反射高光最亮的地方将变成具有光源镜面光强度的颜色。例如一个光亮的红色塑料球，球的大部分表现为红色，光亮的高光将是白色的。
材质的颜色与光源的颜色有些不同。
对于光源，R、G、B值等于R、G、B对其最大强度的百分比。
若光源颜色的R、G、B值都是1.0，则是最强的白光；若值变为0.5，颜色仍为白色，但强度为原来的一半，于是表现为灰色；若R＝G＝1.0，B＝0.0，则光源为黄色。
对于材质，R、G、B值为材质对光的R、G、B成分的反射率。比如，一种材质的R＝1.0，G＝0.5，B＝0.0，则材质反射全部的红色成分，一半的绿色成分，不反射蓝色成分。
也就是说，若光源颜色为(LR,LG,LB)，材质颜色为(MR,MG,MB)，那么，在忽略所有其他反射效果的情况下，最终到达眼睛的光的颜色为(LR*MR,LG*MG,LB*MB)。
下图是《立几画板》中的材质属性设置及其效果图： 