图形学实验简单光照明模型实现

Phong光照明模型是由物体表面上一点P反射到视点的光强I为环境光的反射光强Ie、理想漫反射光强Id、和镜面反射光Is的总和，在用Phong模型进行真实感图形计算时，对物体表面上的每个点P，均需计算光线的反射方向R，再由V计算。为减少计算量，我们可以作如下假设：a)光源在无穷远处,即光线方向L为常数；b)视点在无穷远处，即视线方向V为常数；c)用近似。这里H为L和V的角平分向量，。在这种简化下，由于对所有的点总共只需计算一次H的值，节省了计算时间。 【图形学实验简单光照明模型实现】 实验6的目的是让学生理解和掌握简单光照明模型的基本原理，以便实现物体的真实感图形显示。在这个实验中，重点是Phong光照明模型，它是真实感渲染中广泛使用的一种模型。 Phong模型认为，物体表面上的光强I是由环境光的反射光强Ie、理想漫反射光强Id和镜面反射光Is三部分组成。具体公式为： \[ I = I_e + I_d \cdot K_a \cdot K_d \cdot (\mathbf{N} \cdot \mathbf{L})^n + I_s \cdot K_s \cdot (\mathbf{R} \cdot \mathbf{H})^n \] 其中，\(\mathbf{R}\)是光线的反射方向，\(\mathbf{V}\)是视线方向，\(\mathbf{N}\)是法线向量，\(\mathbf{L}\)是光线方向，\(\mathbf{H}\)是L和V的角平分向量，Ip是点光源的入射光强，Ia是环境光的漫反射光强，Ka是环境光的漫反射系数，Kd是漫反射系数，Ks是镜面反射系数，n是幂次，用于模拟表面的光滑程度。 在实际应用中，为了减少计算量，通常会做以下假设： a) 光源位于无穷远处，光线方向\(\mathbf{L}\)恒定； b) 视点也在无穷远处，视线方向\(\mathbf{V}\)固定； c) 使用近似方法计算角平分向量\(\mathbf{H}\)，因为这个值对于所有点只需要计算一次。 实验代码使用OpenGL库，并结合RGB颜色模型来实现Phong模型。在本实验中，光源的方向设为单位向量\((0.5, 0.5, 0.707)\)，视点的视线方向为\((0, 0, 1)\)。代码中定义了结构体`Vector`和`Color`来表示向量和颜色，并定义了相关的变量，如环境光强度、漫反射系数、镜面反射系数以及幂次。 实验过程包括理解模型原理，调试和修改示范程序，通过改变光照系数观察显示效果。例如，`CirclePt`函数用来绘制带有颜色的点，而`MidCircle`函数则实现了中点圆生成算法，用于在屏幕上绘制出物体的形状。 通过这个实验，学生可以深入理解光照明模型在图形学中的应用，以及如何使用编程技术实现这些理论知识，从而增强他们对真实感图形显示的理解和实践能力。