计算机图形学 学习笔记（十二）：颜色模型，简单 / 增量 光照模型
接上文 计算机图形学 学习笔记（十一）：曲线曲面（三）：B样条 曲线与曲面
接下来将介绍真实感图形学的内容。
真实感图形学包括：颜色模型，简单光照模型，增量光照模型，局部光照模型和投射模型，整体光照模型，纹理映射和阴影处理。
真实感图形学
真实感图形学研究的是什么？简单来说，就是希望用计算机生成像照相机拍的照片一样逼真地图形图像。要实现这个目标，需要三个步骤：
- 建立三维场景（建模）
- 消隐解决物体深度的显示及确定物体之间的相互关系
- 在解决了消隐问题之后，在可见面上进行明暗光泽的处理，然后进行绘制（渲染）
9.1 颜色模型
颜色模型概述
什么是颜色
- 颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的波长决定
- 人眼对于颜色的观察和处理是一种生理和心理现象，其机理还没有完全被搞清楚
- 视觉系统能感觉到的波长范围为380~780nm
什么是颜色模型
- 颜色模型（空间），是表示颜色的一种数学方法，人们用它来指定颜色和标定产生的颜色。通常用三个参数来表示
- 几乎所有的颜色模型都是从RGB颜色模型导出
- 目前现有的颜色模型还没有一个完全符合人的视觉感知特性、颜色本身的物理特性或发光物体和光发射物体的特性
常用颜色模型
RGB颜色工业模型
如图所示，单位立方体中的三个角对应红色（R）、绿（G）、蓝（B）三基色，而其余三个角分别对应于三基色的补色——青色（C）、黄色（Y）、品红色（M）
从RGB单位立方体的原点即黑色（0,0,0）到白色顶点（1,1,1）的主对角线被称为灰度线，线上所有的点具有相等的分量，产生灰度色调。
其他颜色工业模型
主要用于彩色电视信号传输标准，主要有 YIQ、YUV、YCbCr 彩色模型。三种彩色模型中，Y分量均代表黑白亮度分量，其余分量用于显示彩色信息。这样，只需要利用Y分量进行图像显示，彩色图像就会转换为灰度图像。
颜色视觉模型
以上介绍的颜色工业模型是从色度学或硬件实现的角度提出的，但用色调、饱和度、亮度三要素来描述彩色空间能更好地与人的视觉特性相匹配。
颜色的三个基本属性（也称人眼三要素）：
- 色调：由物体反射光线中占优势的波长决定的，是彩色互相区分的基本特性
- 饱和度（彩度）：彩色的深浅程度，它取决于彩色中白色的含量。饱和度越高，彩色越深，白色光越少。
- 亮度（强度）：光波作用于感受器所发生的效应，它取决于物体的反射系数。反射系数越大，物体亮度越大。
HSI 彩色模型是截面为三角形或圆形的椎体模型。
色调也称为色相，指颜色的外观，色调用角度表示。如赤橙红绿青蓝紫，角度从 红->绿->蓝->红。
色调效果示意图：
饱和度，分成：
- 低（0%~20%）：不管色调如何会产生灰色
- 中（40%~60%）：产生柔和的色泽
- 高（80%~100%）：产生鲜艳的颜色
饱和度效果示意图：
强度是指颜色的亮度。取值范围从0%（黑）~100%（最亮）
亮度效果示意图：
9.2 简单光照模型
什么是光照模型
当物体的几何形态确定之后，光照决定了整个场景的显示结果。因此，真实感图形的生成取决于如何建立一个合适的光照模型。
光照模型：模拟物体表面的光照物理现象的数学模型。
简单的光照模型只考虑光源对物体的直接光照。
背景物理知识
反射定律
反射定律：入射角等于反射角，而且反射光线、入社光线与法向量在同一平面上。
折射定律
能量关系
在光的反射和折射现象中的能量分布（满足能量守恒）：
漫反射光：光线射到物体表面上后，光线会沿着不同的方向等量的散射出去，这种现象称为漫反射。漫反射光在不同方向都是一样的。
漫反射光均匀向各方向传播，与视点无关，它是由表面的粗糙不平引起的。
镜面反射光：一束光照射到一面镜子上或不锈钢的表面，光线会沿着反射光方向全部反射出去，这种叫做镜面反射光。
折射光：比如水晶、玻璃等，光线会穿过去一直往前走。
吸收光：比如冬天晒太阳会感觉到温暖，这是因为吸收了太阳光。
Phong 光照模型
Phong 光照模型（环境光+漫反射光+镜面反射光）
环境光
邻近各个物体所产生的光的多次反射最终达到平衡时的一种光。可近似认为同一环境下的环境光，其光强分布是均匀的。
漫反射光
光照射到比较粗糙的物体表面，物体表面某点的明暗程度不随观测者的位置变化，这种等同地向各个方向散射的现象称为光的漫反射。漫反射光强近似服从 Lambert 定律：
镜面反射光
光照射到相当光滑的物体表面，就会产生镜面反射光。其特点是在光滑表面会产生高光区域。一般用 Phong 提出的经验模式表达;
Phong 光照模型定义
经典的Phong 模型：
结合RGB颜色模型，Phong 光照模型最终有如下的形式：
Phong 模型扫描线算法
伪代码描述：
Phong 模型示例
总结
Phong 光照模型是真实感图形学中提到的第一个有影响的光照模型，生成图像的真实度已经达到可以接受的成都。
Phong 模型用来模拟光从物体表面到观察者眼睛的反射。尽管这种方法符合一些基本的物理法则，但它更多的是基于对现象的观察，所以被看成是一种经验式的方法。
在实际的应用中，由于Phong 模型是一个经验模型，因此存在以下的问题：
- 显示出的物体像塑料，没有质感变化
- 没有考虑物体间相互反射光
- 镜面反射颜色与材质无关
- 镜面反射入射角大，会产生失真现象。
9.3 增量式光照模型
为什么要进行明暗处理
三维物体通常用多边形（三角形）来近似模拟。
由于每一个多边形的法向一致，因而多边形内部的像素的颜色都是相同的，而且在不同法相的多边形邻接触，光强突变，使具有不同光强的两个相邻区域之间的光强不连续性（马赫带效应）
如何进行明暗处理
基本思想：每一个多边形的顶点处计算出光照强度或参数，然后在各个多边形内部进行均匀插值。
常用方法：
- Gouraud 明暗处理（双线性光强插值算法）
- Phong 明暗处理（双线性法向插值算法）
Gouraud 明暗处理（双线性光强插值）
1971年，由Gouraud 提出，又称为双线性光强插值算法。
基本步骤由四步构成：
第一步：计算多边形的平均法向。
与某个顶点相邻的所有多边形的法向平均值近似作为该顶点的近似法向量，顶点A相邻的多边形有k个，它的法向量计算方式为：
第二步：用 Phong 光照模型计算顶点的光强。
第三步：插值计算离散边上各个点的光强。
第四步：插值计算多边形内域中各点的光强。
求任意一点的光强需要进行两次插值计算。
Gouraud 明暗处理的不足
Gouraud 明暗处理有一个最大的缺点，就是不能有镜面反射光（高光）。
双线性插值是把能量往四周均匀，平均的结果就是光斑被扩大了，因此本来没有光斑的地方一插值反而出现了光斑。
解决方法就是：Phong 明暗处理。
Phong 明暗处理（双线性法向插值）
Phong 明暗处理与 Gouraud 明暗处理有何不同？双线性光强插值->双线性法向插值。
以时间为代价，引入镜面反射，解决高光问题。
Phong 明暗处理基本步骤：
- 计算每个多边形顶点处的平均单位法矢量，这一步骤与Gouraud 明暗处理方法的第一步相同
- 用双线性插值方法求得多边形内部各点的法矢量。
- 最后按光照模型确定多边形内部各点的光强
Phong 明暗处理是先算角点的法向量，再算内部点的法向量，最后再用新的光照模型算内部点的颜色值。
两种增量式光照模型比较
总结
Gouraud 明暗处理（双线性光强插值）能有效地显示漫反射曲面，计算量小，速度快。
Phong 明暗处理（双线性法向插值）可以产生正确的高光区域，但是计算量要大的多。
增量式光照模型的不足：
- 物体边缘轮廓是折线段而非光滑曲线
- 等间距扫描线会产生不均匀效果
- 插值结果取决于插值方向
与简单光照模型的区别
