计算机图形学

成像系统

成像三要素

• 成像对象
• 观察者
• 光

此三种要素决定了光照如何影响场景中的各要素最终的成像效果，且这三种要素之间相互依赖

成像系统

光

光是一种电磁波，我们能够“看见”，是因为视觉系统受到光线的刺激所诱发的一系列过程所致

成像系统

光线追踪和几何光学

从光源开始，沿着光路找到进入相机镜头的光线强度和颜色，确定成像的像素颜色。但因为每条光线都会与多个物体产生交互作用，包括折射、反射、吸收等，计算相对复杂

成像系统

全局光照和局部光照

• 局部光照(Local Illumination): 物体只受到直接来自光源的光照影响
• 全局光照(Global Illumination): 物体受到来自光源和其他物体反射光的综合影响
• 光线跟踪(Ray Tracing)是基于物理的全局光照计算方法

物体会同时受到全局光照和局部光照的影响。部分物体会阻挡光通过，形成阴影； 光在通过部分物体时还会发生反射、折射等，使物体会不止受到一个光源的照射影响，也就无法为每个物体独立计算颜色、阴影等光照效果;有些物体是透明的

成像系统

基于物理的方法

• 光线跟踪(Ray Tracing):从光源开始，沿着光路找到进入镜头的光线，形成图像，或者部分光线投射到无穷远处，或被物体吸收
• 辐射度(Radiosity):基于能量的方法，以能量守恒为基础，计算量大，速度更慢，无法实时实现

成像系统

光线跟踪的特点

• 光线跟踪基于物理的计算，更接近真实的光照效果
• 对如多边形构成的简单物体或者简单的点光源，计算简单
• 光线跟踪能够更好地处理全局光照，如各种阴影效果和多重反射
• 光线跟踪的计算量较大，速度较慢，在硬件计算能力有限的条件下，不适用于实时交互应用，但是在利用GPU进行加速计算后，速度已能接近于实时

成像系统

灰度图和彩色图

灰度图(Luminance Image)

单色图，各像素的值代表颜色的灰度值，类似于黑白电视的效果

彩色图(Color Image)

彩色图，可明确感受到颜色的明度、饱和度和色调，与人的视觉认知系统紧密联系。但无需表现出所有人类可感知的色彩

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人类视觉感知

成像系统

人类颜色感知

视杆细胞(Rod Cells)

分布于视网膜的周围，仅有一种光敏色素，对光线强度比视锥细胞更敏感，主要用于夜视感知，人类视网膜上平均有1亿2500万视杆细胞

视锥细胞(Cone Cells)

分布于视网膜黄斑区附近，有三种，分别对波长564, 534和420nm的波长敏感，即黄绿色、绿色和蓝紫色，将视觉信号混合即形成人类的颜色感知，人类视网膜上约有600至700万视锥细胞

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颜色模型

加色系统(RGB) VS 减色系统(CMY)

RGB,将三种颜色加和用于显示器,投影系统等

CMY，从白光中滤去三种颜色，主要用于印刷出版行业

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相机模型

小孔成像

$x_p=-x*d/z$,     $y_p=-y*d/z$,     $z_p=d$

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合成相机模型

成像系统

合成相机模型的优点

• 对象、观察者、光源位置三者互相独立
• 可将二维图形视作是三维图形在某个方向上的投影
• 有助于简化API的设计，包括物体、相机、光源等的属性设置，通过简单的几何计算就能得到结果图像
• 利于硬件快速高效实现

成像系统

成像

成像系统

窗口裁剪

成像系统

成像过程

应用程序→几何处理→像素处理(光栅化)

• 应用程序，提供图元，即用于描述三维物体的点、线、多边形等信息，及用于表面纹理映射的图案或位图
• 几何处理，是将三维坐标变换为二维屏幕坐标的过程，包括了模型与视点变换，光照计算，投影计算，裁剪，屏幕投射等几个过程的计算
• 光栅化，将屏幕对象先传送到像素处理器进行光栅化，后再对每个像素进行着色，再输出到帧缓冲器中，最后再输出到显示器

课程总结

• 成像系统三要素
• 光和颜色
• 合成相机模型