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摘 要：为了研究不同材质的色彩真实表现,应用了图形学中对非镜面反射材质和镜面反射材质的不同计算方法,以及直接光照模型和全局光照模型的不同计算方法.进行了两种材质在两种光照模型中的渲染实验,实验结果分析表明非镜面反射材质颜色在直接光照模型中可以得到比较好的表达,镜面反射材质颜色在全局光照模型中的表达更真实.
关键词：真实感图形光照模型材质颜色
色彩是产品设计中的符号要素.随着工业设计及计算机辅助工业设计的发展与研究,带动了计算机辅助色彩设计的发展.计算机辅助工业设计中应用自动光顺、光线追踪等计算机场景渲染技术,能对色彩设计效果进行绘制,有效增强了色彩设计的效果表达.
当设计人员在对产品的颜色进行推敲的时候,比较难于控制的是通过三维软件渲染的效果图真实的表现自己设计的色彩.所以如何应用真实感图形学的知识来指导设计人员尽可能真实得表现材质的色彩就成为急需解决的问题.
1. 问题提出的理论基础
计算机图形学的一个主要的目的就是采用具体的光照模型来计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果,利用计算机来产生令人赏心悦目的真实感图形.而在真实感图形学中最主要的部分是光照和表面材质属性的模拟.下面将分析现有的光照模型与材质模型在色彩真实表现中存在的问题.
1.1光照模型
光照模型是计算机图形学中生成真实感图形的基础.简言之,即根据材料表面和光源特性,依据光学物理的有关定律,计算景物表面上任一点投向观察者眼中的光亮度的大小和色彩组成.光照模型定义了光源特性,光强在照射表面的几何分布和表面对光照的反射特性等.在三维图形绘制中,需要根据光照模型计算每一个像素上可见的景物表面投向观察者的光亮度.
为了产生明暗过渡自然的真实感图形,首先必须建立光照明模型（Illumination Model或Lighting Model）,用来描述物体表面的颜色与其空间位置、朝向、物理属性（反射率、折射率）的关系.依据光照明模型、绘制算法来计算对应屏幕上各像素的物体表面的颜色,并最终显示图形.
1.1.1 直接光照模型
直接光照模型仅仅考虑光源直接照射到表面然后反射到视点的效果.很多渲染器有固定的shading模式,即用固定的公式计算模型表面颜色和对光的反应,如经典的Phong模型,Cook - Torrance模型.Phong采用反射矢量与视矢量夹角余弦的幂来仿真反射高光,提出了一种经验模型.接着,Blinn用许多随机分布的理想镜面作为基本面元对物体表面的光学特性进行建模,从理论上给出了一种更精确的光照模型.但它只能模拟单一材料的物体表面.1981年,Cook和Torrance使用双向反射比的概念来表示被照明物体表面的光谱反射特性,有效地解决了这一问题.Phong模型采用的公式如下：
其他的是用户自定义参数.这个等式常用.和Phong模型一样,Cook - Torrance模型将反射看作由环境、漫反射和镜面反射分量组成.Cook - Torrance模型中环境和漫反射分量和Phong模型中基本相同,只是镜面放射分量有所区别.
1.1.2 全局光照模型
全局光照系统简称GI( Global Illumination)是能够弥补直接光照模型的缺点更好的模拟真实感的光照模型,GI系统可以同时考虑到光线照射到物体表面上产生的反射、折射、透射、阴影和物体相互间作用的光照效果的模型.当光照射到物体的表面上,会有一部分被物体表面所吸收,一部分被反射到环境中,照亮到场景中的其他地方,并可能会呈现出第一个物体表面的颜色.CI系统的光照模型有模拟实际光线传播过程的光线跟踪模型和模拟能量交换的辐射度模型.
(1)光线跟踪能够处理光源直接照射的效果和环境光照射的效果,一个点的照明不仅要考虑光源的直接照射效果,还要考虑反射光对该点的照明效果.这样,在考虑照明模型时就要将直接照明和反射光照明两部分都加入进去：
(2)辐射度算法,在一个稳定的辐射度光照环境中,物体每个面片上的光照的情况可以用来表示.
其中,L是最终要求的光照值,Ld是直接从光源照射过来的光,T表示光照传播算子,TL．表示从其他面片反射来的光照.
从式(l)和式(2)可以看出,全局光照的传播是一个无限循环最终达到平衡的过程.I和TL,都是来自光在环境中的多次反射光.
在GI系统中要计算出物体上每点的亮度信息和颜色信息值,就要对物体上每一点进行不断的递归的光线跟踪或辐射度计算.
1.2材质模型
物体的材质,对绘制效果有非常重要的作用.尤其在全局光照明的绘制中,由于考虑了光在传播过程中的多次反射,因此能带给我们更为丰富的视觉反馈,而且还可以形成渗色、焦散等绘制效果.
材质属性决定了物体表面如何反射光线.材质本身的发光程度以及材质对光源的反射程度,共同决定物体的颜色.材质是颜色、光泽度、透明度等属性的集合,是描述入射光线如何在物体表面作用的数学方法,目前发展比较成熟的是BRDF( Bi - directionalReflection Distribution Function)模型,BRDF模型通过积分的形式来描述物体上一无穷小点对入射光线的吸收和反射情况,在理论上可以描述现实中绝大多数的光学现象.
材质的编辑指的是用户通过修改现有的BRDF从而得到新的BRDF.如果是解析形式的BRDF,那么直接修改其参数,就能实现BRDF的编辑.许多商业软件所提供的BRDF编辑功能,就是采用这种方法,比如MAYA、3DsMax.
材质通常具有环境、漫反射、高光反射等属性.根据在材质编辑中是否应用了反射参数,将材质划分为：非镜面反射材质,镜面反射材质.
2. 光照的模拟实验
基于以上计算机图形学中的光照模型和材质编辑的相关知识,将工业设计产品的表面材质划分为两种类型：非镜面反射材质,镜面反射材质.灯光模拟方式划分为：直接光照模型模拟全局光照,全局光照模型.实验过程是在两种光照模拟中对两种材质分别进行着色渲染,比较绘制结果.
直接光照模拟的全局光照模型中涉及到如下的一些方法和技巧：
(l)分析室内的光照特点.①有一个间接光照光源,例如窗口等面光性质的光源.由于间接光源的作用,室内四周的墙壁会反光,又形成间接光源,通过在墙壁上添加辅光灯进行模拟.②按照摄影技术中的“三点”布光原理对直接光源进行模拟：三点照明是较小的场景和单帧画面里常常使用的传统的布光理论,其“三点”指三种主要光型：主光源、补光源和轮廓光源；为了使光照层次更加丰富、细腻而添加背景光源和装饰光源.
如此布光的好处：由直接光照模拟的间接光照效果中,可以灵活应用标准灯光对环境、漫反射和镜面反射分量的控制,表现想要的高光效果.同时应用摄影中的布光原理可以得到层次更加丰富细腻的画面效果.
(2)直接光照模拟全局光照的难点和解决方法.①难点：模拟间接光照的灯光会使物体表面产生凌乱的高光；分析确定要在哪些地方增加局部的补光以及真实模拟全局光照的阴影；在室内的边角会出现过渡不自然的明暗反常现象.
②解决问题的方法：在3ds MAX中,Ambient、Diffuse、Specular这3个属性可以单独控制,充分利用这三个参数的配合,来表达高光的效果.设置模拟全局光照的阵列灯光,只计算灯光模型中的漫反射部分；产品的高光通过主光灯来表现,这样可以保证高光的正确显示.补光灯也只应用漫反射部分,它的作用在于辅助照亮摄像机视图范围内的场景；阵列灯光矩阵的三维空间形状可以根据场景的间接光照光源的形状特点来绘制；辅光灯通过位置和形状的变化来模拟局部的阴影和亮面.具体来说就是当需要某个地方亮一点就在那里设置一盏Multiplier为正值的形状和照亮地方的形状一样的灯光,并把Far Attenuation的髟响范围调整在想要的范围之内.
3. 实验结果分析
进行了四组实验：
(l)图4是在直接光照模拟的全局光照模型中表现非镜面反射材质,由于材质没有应用到反射参数设置,同时光照模型中的光线没有多次反射,所以在这种情况下的产品效果图渲染中,能够真实表达设计师给定的颜色设置.
(2)图5显示的是在全局光照模型中对非镜面反射材质的着色效果,可以在白色墙体上明显的看到彩色体块反射到上面的颜色,同时由于周围白色环境的作用,彩色几何体的颜色也要比所设置颜色的亮度高.
(3)对于全反射材质而言,由于在材质编辑的过程应用了反射参数,所以应用直接光照模拟的全局光照模型中,一次反射会在产品表面留下周围物体明显的影像,从而严重影响了产品表面的色彩感觉.图6中的彩色体块由于反射了周围的白色环境,有部分面块变的很白.
(4)图7显示的是全反射材料在全局光照模型中由于应用了光线反射的多次叠加,全反射材质可以得到比较真实的颜色效果,但是始终少不了反射光线颜色的影响.应该如何表达全反射材质的色彩感觉还需要做进一步研究.
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4.结束语
本文针对目前全局光照表现产品色彩方面存在的不足,以及不同材质对光照模型的不同反应.讨论了非镜面反射材质与镜面反射材质分别在直接光照模拟的全局光照模型与全局光照模型中着色.本文方法在一定程度上实现了非镜面反射材质在直接光照模型中色彩的真实表现.下一阶段将着重于如何实现镜面反射材质的色彩真实表现；如何减小全局光照对非镜面反射材质色彩真实表现的影响.
总结：该文是关于光照模型论文范文，为你的论文写作提供相关论文资料参考。
phong光照模型引用文献:
[1] 模型论文范文 模型类自考开题报告范文2万字
[2] 三维模型论文范文 三维模型方面在职研究生论文范文2万字
[3] 模型论文范文 模型方面毕业论文题目范文2万字
