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光照模型的交互式演示系统实现电子信息工程0702 蒋林轩指导教师 赵颖摘要：本论文以Phong光照模型为理论基础，使用OpenGL图形硬件接口设计了一个由太阳、地球、月球以及浩瀚的星空共同组成小太阳系，实现了以太阳为光源、以星空为背景的光照模型演示系统。通过改变太阳光的颜色等属性来表现光照模型中漫反射、镜面反射以及环境光的变化效果，并利用随机函数来生成变幻莫测的闪烁星空。该系统还通过旋转、平移等图形变换实现了太阳、地球和月亮的自转和公转等动画效果，模拟了日食及月亮的阴晴圆缺等一系列自然现象。本次设计可作为计算机图形学教学示例和天体运动及部分天文现象产生原理教学示例。关键词:真实感图形学，Phong光照模型，人机交互，OpenGLABSTRACT：Based on Phong illumination model, a small interactive solar demo system,which includes the sun as lightsource,the earth,the moon,and starry sky as background,is implemented in this thesis by using OpenGL graphics hardware interface.The interaction of diffuse-light,specular-light,ambient-light and starry sky created by random function is able to make up many unpredictable lighting effects by changing some attributes of sunlight,such as color and brightness.Some natural phenomena, such as Earths rotation and revolution,Moons eclipse, are also observed in this system by transforming and rotating the sun,the earth and the moon.It is an excellent demo system as classroom demonstration for computer graphics or astronomy.KEY WORDS:Realistic graphics, Phong illumination model, human-computer interaction, OpenGL1 引言真实感图形技术作为多媒体的一部分已经深刻影响着我们现在和未来的生活。在一些著名的动画电影大片中，利用真实感图形技术创造出的具有立体感的和栩栩如生的动画人物形象，让我们充分体会到计算机动画高超的技术魅力[1]。光照处理是真实感图形技术里增强真实感最重要的手段，加有光照的物体能给人以三维立体视觉效果。光照处理是在已知物体的物理形态和光源性质下，基于光学物理的相关定律，通过运算确定场景物体可见面上任何一点射向观察者眼中的光的强度(或RGB值)，来模拟真实光照效果。目前一些光照处理方法对于某些类型的物体表面可以得到很精确的模拟效果，如光线跟踪法适用于高反射物体表面[2,3]；辐射度法[4,5]适用于所有表面都是漫反射特性的场景。虽然算法的逼真度提高了，但是计算复杂度也大大增加了，图形生成会跟不上实时性的要求[6-8]。本文使用OpenGL图形硬件接口设计一个具有星空背景的日、地、月及星系的交互式演示系统，该系统运用真实感图形学中的光照、贴图、图形变换、色彩融合等技术，实现了星球自转和公转运动、星球的运动跟踪、闪烁星空的随机生成以及交互观察等功能，模拟了日食及月亮的阴晴圆缺等一系列自然现象，为计算机真实感图形学提供了教学示例，并可以作为宇宙启蒙教育材料。2 Phong光照模型当光照射到物体表面时，光线可能被吸收、反射和透射。被物体吸收的部分转化为热。反射、透射的光进入人的视觉系统，使我们能看见物体。为模拟这一现象，我们建立一些数学模型来替代复杂的物理模型。这些模型就称为明暗效应模型或者光照明模型[9]。Phong光照明模型[10]是真实感图形学中提出的第一个有影响的光照明模型，生成图象的真实度已经达到可以接受的程度。设光源为点光源，反射作用被细分为漫反射(Diffuse Reflection)和镜面反射(Specular Reflection)[11,12]。Phong光照明模型只考虑物体对直接光照的反射作用，而物体间的光反射作用，简化为环境光(Ambient Light)来表示。2.1漫