Nachdenken-Modell von Phong

Das Phong Nachdenken-Modell (hat auch Beleuchtung von Phong oder Beleuchtung von Phong genannt), ist ein empirisches Modell der lokalen Beleuchtung von Punkten auf einer Oberfläche. In der 3D-Computergrafik wird es manchmal zweideutig Schattierung von Phong insbesondere genannt, wenn das Modell in der Kombination mit der Interpolationsmethode desselben Namens und im Zusammenhang des Pixels shaders oder der anderen Plätze verwendet wird, wo eine sich entzündende Berechnung "Schattierung" genannt werden kann.

Geschichte

Das Phong Nachdenken-Modell wurde von Bui Tuong Phong an der Universität Utahs entwickelt, die es in seinem 1973-Dr. Doktorarbeit veröffentlicht hat. Es wurde in Verbindung mit einer Methode veröffentlicht, für die Berechnung für jedes individuelle Pixel zu interpolieren, das rasterized von einem polygonalen Oberflächenmodell ist; die Interpolationstechnik ist als Schattierung von Phong bekannt, selbst wenn es mit einem Nachdenken-Modell außer Phong verwendet wird. Die Methoden von Phong wurden radikal zur Zeit ihrer Einführung betrachtet, aber haben sich zu einer Grundlinie-Schattierungsmethode für viele Übergabe-Anwendungen entwickelt. Die Methoden von Phong haben sich populär wegen ihres allgemein effizienten Gebrauches der Berechnungszeit pro gemachtes Pixel erwiesen.

Beschreibung

Nachdenken von Phong ist ein empirisches Modell der lokalen Beleuchtung. Es beschreibt die Weise, wie eine Oberfläche Licht als eine Kombination des weitschweifigen Nachdenkens von rauen Oberflächen mit dem spiegelnden Nachdenken von glänzenden Oberflächen widerspiegelt. Es basiert auf der informellen Beobachtung von Bui Tuong Phong, dass glänzende Oberflächen kleine intensive spiegelnde Höhepunkte haben, während dumme Oberflächen große Höhepunkte haben, die mehr allmählich zurückgehen. Das Modell schließt auch einen umgebenden Begriff ein, um für den kleinen Betrag des Lichtes verantwortlich zu sein, das über die komplette Szene gestreut wird.

Für jede leichte Quelle in der Szene, den Bestandteilen und werden als die Intensitäten (häufig als RGB Werte) von den spiegelnden und weitschweifigen Bestandteilen der leichten Quellen beziehungsweise definiert. Ein einzelner Begriff kontrolliert die umgebende Beleuchtung; es wird manchmal als eine Summe von Beiträgen von allen leichten Quellen geschätzt.

Für jedes Material in der Szene werden die folgenden Rahmen definiert:

:: spiegelndes Nachdenken unveränderlich, das Verhältnis des Nachdenkens des spiegelnden Begriffes des eingehenden Lichtes

:: weitschweifiges Nachdenken unveränderlich, das Verhältnis des Nachdenkens des weitschweifigen Begriffes des eingehenden Lichtes (Lambertian reflectance)

:: umgebendes unveränderliches Nachdenken, das Verhältnis des Nachdenkens der umgebenden Begriff-Gegenwart in allen Punkten in der Szene hat gemacht

:: ist eine Glänzendkeit, die für dieses Material unveränderlich ist, das für Oberflächen größer ist, die glatter und mehr spiegelähnlich sind. Wenn diese Konstante groß ist, ist der spiegelnde Höhepunkt klein.

Außerdem, wird als der Satz aller leichten Quellen definiert, als der Richtungsvektor vom Punkt auf der Oberfläche zu jeder leichten Quelle (gibt die leichte Quelle an), als das normale an diesem Punkt auf der Oberfläche, als die Richtung, die ein vollkommen widerspiegelter Strahl des Lichtes von diesem Punkt auf der Oberfläche, und als die Richtung nehmen würde, die zum Zuschauer (wie eine virtuelle Kamera) hinweist.

Dann stellt das Nachdenken-Modell von Phong eine Gleichung zur Verfügung, für die Beleuchtung jedes Oberflächenpunkts zu schätzen:

:

wo der Richtungsvektor als das Nachdenken auf der durch das normale Oberflächenverwenden charakterisierten Oberfläche berechnet wird:

:

und die Hüte zeigen an, dass die Vektoren normalisiert werden. Der weitschweifige Begriff wird durch die Zuschauer-Richtung nicht betroffen. Der spiegelnde Begriff ist nur groß, wenn die Zuschauer-Richtung nach der Nachdenken-Richtung ausgerichtet wird. Ihre Anordnung wird durch die Macht des Kosinus des Winkels zwischen ihnen gemessen. Der Kosinus des Winkels zwischen den normalisierten Vektoren und ist ihrem Punktprodukt gleich. Wenn im Fall von einem fast spiegelähnlichen Nachdenken groß ist, wird der spiegelnde Höhepunkt klein sein, weil jeder nach dem Nachdenken nicht ausgerichtete Gesichtspunkt einen Kosinus weniger als ein haben wird, der sich schnell Null, wenn erhoben, zu einer hohen Macht nähert.

Obwohl die obengenannte Formulierung die allgemeine Weise ist, das Nachdenken-Modell von Phong zu präsentieren, sollte jeder Begriff nur eingeschlossen werden, wenn das Punktprodukt des Begriffes positiv ist. (Zusätzlich sollte der spiegelnde Begriff nur eingeschlossen werden, wenn das Punktprodukt des weitschweifigen Begriffes positiv ist.)

Wenn die Farbe als RGB Werte vertreten wird, weil häufig in der Computergrafik der Fall ist, wird diese Gleichung normalerweise getrennt für R, G und B Intensitäten modelliert, verschiedene Nachdenken-Konstanten und für die verschiedenen Farbenkanäle erlaubend.

Rechenbetont effizientere Modifizierungen

Wenn

es das Nachdenken-Modell von Phong durchführt, gibt es mehrere Methoden, für dem Modell näher zu kommen, anstatt die genauen Formeln durchzuführen, die die Berechnung beschleunigen können; zum Beispiel ist das Blinn-Phong Nachdenken-Modell eine Modifizierung des Nachdenken-Modells von Phong, das effizienter ist, wenn der Zuschauer und die leichte Quelle behandelt werden, um an der Unendlichkeit zu sein.

Eine andere Annäherung richtet auch die Berechnung des spiegelnden Begriffes, da die Berechnung des Macht-Begriffes rechenbetont teuer sein kann. Das Denken, dass der spiegelnde Begriff nur in Betracht gezogen werden sollte, wenn sein Punktprodukt positiv ist, kann ihm durch das Verständnis davon näher gekommen werden

:

für, für eine genug große, feste ganze Zahl (normalerweise 4 wird genug sein), wo eine reelle Zahl (nicht notwendigerweise eine ganze Zahl) ist. Dem Wert kann weiter als näher gekommen werden; diese karierte Entfernung zwischen den Vektoren und ist zu Normalisierungsfehlern in jenen Vektoren viel weniger empfindlich, als Phong ist, hat gepunktproduktstützt.

Der Wert kann gewählt werden, um eine feste Macht 2 zu sein, wo eine kleine ganze Zahl ist; dann kann der Ausdruck durch Quadrieren-Zeiten effizient berechnet werden. Hier ist der Glänzendkeitsparameter, proportional zum ursprünglichen Parameter.

Diese Methode wechselt gegen einige Multiplikationen eine Variable exponentiation aus.

Phong umgekehrtes Nachdenken-Modell

Das Phong Nachdenken-Modell in der Kombination mit der Schattierung von Phong ist eine Annäherung der Schattierung von Gegenständen im echten Leben. Das bedeutet, dass die Gleichung von Phong die Schattierung verbinden kann, die in einer Fotographie mit der Oberfläche normals des sichtbaren Gegenstands gesehen ist. Gegenteil bezieht sich auf den Wunsch, die Oberfläche normals gegeben ein gemachtes Image, natürlich oder computergemacht zu schätzen.

Das Phong Nachdenken-Modell enthält viele Rahmen, wie der weitschweifige Oberflächennachdenken-Parameter (Rückstrahlvermögen), der sich innerhalb des Gegenstands ändern kann. So kann der normals eines Gegenstands in einer Fotographie nur, durch das Einführen zusätzlicher Information wie die Zahl von Lichtern, leichten Richtungen und Nachdenken-Rahmen bestimmt werden.

Zum Beispiel haben wir einen zylindrischen Gegenstand zum Beispiel ein Finger und berechnen gern das normale auf einer Linie auf dem Gegenstand. Wir nehmen nur ein Licht, kein spiegelndes Nachdenken und Uniform bekannte (näher gekommene) Nachdenken-Rahmen an. Wir können dann die Gleichung von Phong vereinfachen zu:

:

Mit einer Konstante, die dem umgebenden Licht und einer dem Verbreitungsnachdenken gleichen Konstante gleich ist. Wir können die Gleichung umschreiben zu:

:

Der für eine Linie durch den zylindrischen Gegenstand als umgeschrieben werden kann:

:

Zum Beispiel, wenn die leichte Richtung 45 Grade über dem Gegenstand ist, bekommen wir zwei Gleichungen mit zwei unknowns.

::

Wegen der Mächte zwei in der Gleichung gibt es zwei mögliche Lösungen für die normale Richtung. So ist etwas vorherige Information der Geometrie erforderlich, um die richtige normale Richtung zu definieren. Die normals sind direkt mit Winkeln der Neigung der Linie auf der Gegenstand-Oberfläche verbunden. So erlauben die normals die Berechnung der Verhältnisoberflächenhöhen der Linie auf dem Gegenstand mit einer integrierten Linie, wenn wir eine dauernde Oberfläche annehmen.

Wenn der Gegenstand nicht zylindrisch ist, haben wir drei unbekannte normale Werte. Dann erlauben die zwei Gleichungen noch dem normalen, um den Ansicht-Vektoren zu rotieren, so sind zusätzliche Einschränkungen von der vorherigen geometrischen Information erforderlich. Zum Beispiel in der Gesichtsanerkennung können jene geometrischen Einschränkungen mit der Hauptteilanalyse (PCA) auf einer Datenbank von Tiefe-Karten von Gesichtern erhalten werden, das Erlauben erscheint nur normals Lösungen, die in einer normalen Bevölkerung gefunden werden.

Anwendungen

Wie bereits einbezogen, wird das Nachdenken-Modell von Phong häufig zusammen mit Phong verwendet, der allmählich übergeht, um Oberflächen in der 3D-Computergrafik-Software zu beschatten. Abgesondert davon kann es auch zu anderen Zwecken verwendet werden. Zum Beispiel ist es verwendet worden, um das Nachdenken der Thermalradiation von den Pionieruntersuchungen in einem Versuch zu modellieren, die Pionieranomalie zu erklären.

Siehe auch

  • Liste von allgemeinen allmählich übergehenden Algorithmen
  • Bidirektionale reflectance Vertriebsfunktion - ein anderes Nachdenken-Modell
  • Blinn-Phong, der Modell - Modifizierung des Nachdenken-Modells von Phong beschattet, um Präzision mit der Rechenleistungsfähigkeit zu tauschen
  • Schattierung von Phong - allmählich übergehende Technik, die normale Vektoren aber nicht Intensitäten interpoliert
  • Spiegelnder Höhepunkt - andere spiegelnde sich entzündende Gleichungen

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