图形学基本概念_ground 着色

色彩空间

• 人眼能够感知的光波长在380nm-760nm
• 谱分布，异谱同色现象，不适合
• RGB
  • 无法完整表示所有的可见光（有些光无法表示成正线性组合）
  • 属于加法系统
• CMY色彩空间
  • 属于减法系统，CMY是RGB的补色
  • 用于印刷行业
• HSV色彩空间
  • RGB是一个立方体空间
  • HSV是一个圆锥空间（Saturation 饱和度，饱和度越低，越白。Value Of Brightness 亮度，亮度越低色彩越黑。Hue, 色调，色彩的本征属性）
  • HSV比RGB对用户更加友好
• CIE XYZ
  • 可以表示所有能感知的色彩
  • 色彩基XYZ是色彩基RGB的线性变换

基本目的

• 从虚拟的三维场景或者相机中获取位置信息，然后绘制出一副二维图像
• 三维场景使用什么数据结构
  • 简单的球体，长方体，直接使用参数描述就可以
  • 对于复杂模型，需要使用参数曲线和曲面或者更一般的网格模型来进行描述
  • 网格模型中最常用的以三角网格

法向量Normal

• 法向量是决定图像上某一点颜色的很重要的因素，我们时时刻刻都需要计算这个
• 三角面片的法向量是垂直于该三角面片平面的的非零向量
• 对于每个单独三角面片而言，法向量都有两种可能的朝向
• 对于连续可定向的三角网格整体而言，相邻的三角面片需要具有一致的法向量朝向
• 三角网格顶点的法向量可以通过其周围所有三角面片的法向量的加权叠加来计算
• 按平均数计算
• 按面积加权平均计算（最常用）
• 按角度加权平均计算
• 我们通常需要计算每个顶点的颜色等信息

绘制三角网格

• 三角网格的每个顶点需要指定一个色彩属性
• 基于色彩的绘制
  • 模型表面的每点的色彩通过其所在三角面片的顶点色彩插值得到
• 基于光照的绘制
  • 需要指定一个虚拟的光照环境
  • 如何计算光照对色彩的影响是最大的问题

  步骤

  • 绘制线框
  • 上色
  • 加上光照效果

光照模型

• 光照模型用于计算光的强度
• 局部光照明（Local Lighting）关注物体直接受到光源影响所产生的光照效果
• 全局光照明（Global Lighting）关注阴影效果，关注所有不是直接与光源位置相关的光照效果。既关注间接光又关注直接光

历史

• Bouknight提出第一个光反射模型Lambert 漫反射光+环境光
• Ground提出了漫反射模型加插值Lambert 漫反射光+Barycentric插值
• Phong提出了Phong模型，漫反射光+环境光+高光

光线传播遵循能量守恒定律

• 入射光能量=漫反射光的能量+镜面反射光的能量+折射光的能量+被介质和物体所吸收的能量

光的度量方法

• 立体角 衡量物体相对于某一视点P的视角大小，立体角最大为4π
• 光通量(Luminous Flux)单位时间内通过面元dS的光能量，dF
• 发光强度 单位立体角内的光通量（Radiance） I

Phong 光照模型

• 支持点光源与方向光源
• 是局部光照模型，将局部光照效果分解为三部分
• 漫反射效果（Phong模型的思考是，入射光与法线的夹角越小那么漫反射越强。）
• 镜面反射效果（公式的指数n表示该值越大，高光区域越集中，因为无论物体表面再怎么光滑，也会有凹凸，因此在该区域内都有光高光。但是n越大就越集中。为什么用指数来表示呢？反射光R与V的夹角越小，则光恰好照射进人眼中，则高光越强。）
• 环境光效果

明暗处理（shading）

• 由于马赫太效应会夸大两个相邻两个面片颜色的差异
• 明暗处理除了使用光照模型还需要进行插值
• Ground明暗处理与Phong明暗处理
• Ground是对色彩进行插值
• Phong是对法相进行插值

Ground插值

• 计算所有模型顶点的色彩值
• 然后对于模型上的任何一点，按照所在的三角形面片上顶点的色彩值按重心插值（Barycentrie Interpolation）的结果赋予色彩值
• https://blog.csdn.net/silangquan/article/details/21990713

Phong插值

• 不是对色彩插值，而是根据三角形面片的三个顶点的法相对三角形面片的所有点进行插值，得到连续的法向量场，再利用该法向量场逐步使用光照模型进行色彩的插值