华中科技大学《计算机图形学》课程

MOOC地址：计算机图形学（HUST）

计算机图形学 | 奇妙的真实感——片元着色

9.1 图形渲染与视觉外观

图形渲染的光栅化阶段

光栅化阶段：

片元着色器：

片元操作：

基于视觉外观的渲染

视觉物理现象

视觉感知的物理过程：

• 太阳光与其他光源（天然或人造光）发出光
• 光与场景中的物体相互作用，部分被吸收
• 部分散射开来，向新的方向传播
• 最终，光被人眼感知

视觉现象

详情见于9.2节：奇妙的颜色。

光照计算

详情见于9.3节：光照明模型。

• 不同的物体表面材质
• 不同的光源
• 更复杂的情况：物体甚至可能是透明或者半透明的
• 更复杂的情况：物体之间还有相互作用

着色方式

详情见于9.3节：光照明模型。

• 平滑着色（Flat shading）：简单来讲，就是一个三角面用同一个颜色。
• 高洛德着色（Gouraud shading）：每顶点求值后的线性插值结果通常称为高洛德着色。
• 冯氏着色（Phong shading）：冯氏着色是对着色方程进行完全的像素颜色求值。

表面细节

详情见于9.4节：让人头疼的纹理。

纹理决定了表面细节。

• 颜色纹理
• 几何纹理

有光有影才有真实感

详情见于9.5节：加入阴影会怎样？

9.2 奇妙的颜色

什么是颜色

美国光学学会（Optical Society of America）的色度学委员会曾把颜色定义为：颜色是除了空间的和时间的不均匀性以外的光的一种特性，即光的辐射能刺激规网膜而引起观察者通过规觉而获得的景象。

我国国家标准GB5698-85，颜色的定义为：颜色是光作用于人眼引起除形象以外的规觉特性。

英国科学家牛顿在1666年发现，太阳光经三棱镜折射后投射到白色屏幕上，显现出一条象彩虹一样美丽的彩色光带（称为光谱，spectrum），证明了白光是所有不同波长可见光的组合。

色散现象：

• 不同波长折射系数不同
• 折射后投影在屏上的位置也不同

可见光谱

人眼能看到的光波为波长约380－780纳米的光波。

人们色彩感觉形成的四大要素：

• 光源
• 彩色物体
• 眼睛
• 大脑

其中，光源辐射和物体反射属于物理学范畴，眼睛和大脑是生理学研究的内容。

颜色视觉的生理基础

颜色视觉原理（Color Vision Theory）：

• Young -Helmholtz的三原色学说
• Hering的对立颜色学说（四色学说）
• 阶段学说

Young -Helmholtz的三原色学说

在人眼规网膜上存在感受红、绿、蓝色的锥状细胞，分别对红、绿、蓝三种光最敏感。

一切颜色特性都由这些锥状体的响应量比例来表示。

三者共同作用，使人产生不同的颜色感觉。

Hering的对立颜色学说（四色学说）

由视觉现象总结出的规律。

在人眼视网膜上存在三组对立规素：红-绿、黄-蓝、白-黑。

所有的颜色特性都由这三组对立颜色的响应量比例来表示，绿和黄—蓝两组对立颜色响应值的组合决定其色调，黑—白响应值决定其亮度。

阶段学说

人眼视觉现象

颜色辨别

人眼能分辨100多种颜色，对490nm的青绿色和590nm的橙黄色的光波变化最敏感，在可见光谱的两端最不敏感。

颜色对比

相邻区域的不同颜色相互影响，是由是规觉暂留效应引起的。

视觉暂留：规觉暂留效应即规觉暂停现象（Persistence of vision，Visual staying phenomenon，duration of vision）又称“余晖效应”，1824年由英国伦敦大学教授皮特‘马克’罗葛特在他的研究报告《移动物体的规觉暂留现象》中最先提出。

颜色对比的分类：

• 同时对比：对比区域的颜色不同，效果不同。
• 继时对比：当看了一种色彩再看一种色彩时，会把前一种色彩的补色加到后一种色彩上。
• 边界对比：当亮度发生跃变时，可看到有一种边缘增强的感觉。明度高的越高，明度低的越低；越接近边界线，影响越强烈，这也叫做马赫带效应（Mach Band Effect）。
• 色相对比：互补色、同类色、对比色、邻近色。
• 明度对比：因明度差异形成的对比，同一明度的色彩，在白底上显得暗，而在黑色背景上却显得更亮。
• 纯度对比：在纯度低的背景色上的会显得鲜艳一些，在纯度高的背景色上会显得灰浊。

颜色错觉

同化现象

当配色的色相、明度接近时，同化现象的效果越明显。

色彩的醒目性

交通标志上醒目的配色：

色彩的进退

色彩的冷暖

色彩的胀缩

色彩的软硬

色彩的情绪