真实感图形学.ppt
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1、第四章真实感图形学,颜色视觉简单光照明模型局部光照明模型光透射模型纹理及纹理映射整体光照明模型实时真实感图形学技术,41颜色视觉,分析以下的基本现象:为什么计算R、G、B三个分量就可以使人有颜色的视觉感觉?,基本概念,颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉,影响的因素有:物体本身光源周围环境观察者的视觉系统,颜色的特性,颜色的三个视觉特性(心理学度量)色调(Hue)红、绿、蓝饱和度(Saturation)颜色的纯度亮度(Lightness)光的强度对应的颜色物理特性主波长(Dominant Wavelength)纯度(Purity)明度(Luminance),颜色纺锤体,颜色三特
2、性的空间表示垂直轴线表示白黑亮度变化水平圆周上的不同角度点代表了不同色调的颜色从圆心向圆周过渡表示同一色调下饱和度的提高平面圆形上的色调和饱和度不同,而亮度相同,光的物理知识,光是人的视觉系统能够感知到的电磁波波长在400nm到700nm之间光可以由它的光谱能量分布 来表示各种波长的能量大致相等,为白光,各波长的能量分布不均匀,为彩色光包含一种波长的能量,其他波长都为零,是单色光,光谱能量分布定义颜色十分麻烦光谱与颜色的对应关系是多对一两种光的光谱分布不同而颜色相同的现象称为“异谱同色”必须采用其他的定义颜色的方法,使光本身与颜色一一对应,三色学说,颜色视觉及真实感图形学的生理基础,颜色科学中
3、最基本、最重要的理论颜色具有恒常性,颜色之间的对比效应能使人区分不同颜色颜色具有混合性,牛顿在十七世纪后期用棱镜把太阳光分散成光谱上的颜色光带,证明白光由很多颜色光混合而成,十九世纪初Yaung提出某种波长的光可以通过三种不同波长的光混合而复现出来的假说红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色把三种原色按照不同的比例混合就能准确的复现其他任何波长的光三原色等量混合产生白光,1862年,Helmhotz在上面的基础上提出颜色视觉机制学说,即三色学说,也称为三刺激理论用三种原色能够产生各种颜色的三色原理是当今颜色科学中最重要的原理和学说,近代三色学说视网膜中存在着三种椎体细胞,对光刺激的兴奋程度不同,分
4、别感受红、绿、蓝光。作用与颜色混合相同黄光刺激眼睛的例子三色学说是真实感图形学中RGB颜色模型提出的理论基础,CIE色度图,三色学说原理说明任何一种颜色可以用红、绿、蓝三原色按照不同比例混合来得到。还有如何使三原色按某唯一比例混合复现给定颜色的问题。颜色匹配混合光与给定光的颜色相同CIE国际照明委员会选取的标准红、绿、蓝三种光,CIE-RGB系统,光的颜色匹配式子:权值r、g、b为颜色匹配中所需要的R、G、B三色光的相对量1931年,CIE等能标准三原色匹配任意颜色的光谱三刺激值曲线,CIE-XYZ系统,CIE-RGB曲线一部分三刺激值是负数,表明只能在给定光上叠加曲线中负值对应的原色,去匹配
5、另两种原色的混合计算不便,不易理解1931年CIE-XYZ系统,利用利用三种假想的标准原色X、Y、Z,使颜色匹配三刺激值都是正值:CIE系统复现颜色的三原色比例值存在,色度图,复现颜色的三原色比例值是否唯一?三刺激空间用三原色的单位向量定义三维颜色空间颜色刺激表示为三刺激空间中以原点为起点的向量,向量的方向代表颜色,三刺激空间色度平面色度图,在三刺激空间上取通过(R)、(G)、(B)坐标轴单位向量的截面,截面的方程为(R)(G)(B)1。该截面与三个坐标平面的交线构成一个等边三角形,称为色度图颜色刺激向量与色度图有且仅有唯一交点,色度图可以唯一的表示三刺激空间中的所有颜色值,色度图上每一个点代
6、表不同的颜色,对于三刺激空间中坐标为X、Y、Z的颜色刺激向量Q,它与色度图交点的坐标(x,y,z)即三刺激值也被称为色度值,CIE色度图,CIE色度图色度图投影到XY平面上马蹄形区域的边界和内部代表了所有可见光的色度值边界弯曲部分代表了光谱在某种纯度为百分之百的色光色度图与三刺激值是描述颜色的标准精确方法,应用较复杂,CIE色度图Z=1-X-Y二维表示,常用颜色模型,颜色模型是指某个三维颜色空间中的一个可见光子集,包含某个颜色域的所有颜色颜色模型的用途是在某个颜色域内方便的指定颜色,RGB颜色模型,通常使用于彩色光栅图形显示设备中真实感图形学中的主要的颜色模型采用三维直角坐标系RGB立方体,红
7、、绿、蓝原色混合在一起可以产生复合色三原色混合效果,CMY颜色模型,以红、绿、蓝的补色青、品红、黄为原色构成的颜色模型常用于从白光中滤去某种颜色,又被称为减性原色系统,在白色中减去某种颜色来定义一种颜色用于印刷行业中,印刷硬拷贝设备的颜色处理在白纸面上涂黄色和品红色,纸面上将呈现红色白光被吸收了蓝光和绿光,只能反射红光RGB颜色模型与CMY颜色模型都是面向硬件模型,HSV颜色模型,HSV颜色模型是面向用户的对应圆柱坐标系的圆锥形子集圆锥的顶面对应于V=1色彩H由绕V轴的旋转角给定饱和度S取值从0到1,由圆心向圆周过渡,画家配色方法,HSV模型对应画家的配色的方法在一种纯色中加入白色以改变色浓,
8、加入黑色以改变色深。同时加入不同比例的白色,黑色即可得到不同色调的颜色,RGB模型与HSV模型联系,RGB立方体从白色顶点沿着主对角线向原点方向投影,可以得到一个正六边形,该六边形是HSV圆锥顶面的一个真子集RGB空间的主对角线,对应于HSV空间的V轴,42简单光照明模型,模拟物体表面的光照明物理现象的数学模型光照明模型简单光照明模型只考虑光源对物体的直接光照,早期发展,1967年,Wylie等人第一次在显示物体时加进光照效果1970年,Bouknight提出第一个光反射模型:Lambert漫反射环境光1971年,Gourand提出漫反射模型加插值的思想1975年,Phong提出图形学中第一个
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