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  • 水体反射光谱特征及其影响因素

    千次阅读 2020-10-02 19:54:08
    写在前面:在最近的一门专业课上,老师布置了一道关于水体光谱反射特征及其影响因素的题目。兴趣使然,查询相关资料,整理如下,现将其与分享大家,还请多多指教! 正文: 任何物体本身都具有发射、吸收和反射电磁波...

    写在前面:在最近的一门专业课上,老师布置了一道关于水体光谱反射特征及其影响因素的题目。兴趣使然,查询相关资料,整理如下,与分享大家,还请多多指教!
    正文:
    任何物体本身都具有发射、吸收和反射电磁波的能力,这是物体的基本特征。水体当然也不例外!本文将以水体的反射波谱特性为切入点,分享水体的光谱特征及影响因素!

    首先,我们来了解太阳辐射(光)与水体发生的光学作用(反射/透射)。我们知道水体的反射辐射源是太阳,太阳辐射到达水面后,一部分被水面直接反射回空中形成水面反射光,强度与水面状况有关(一般仅占入射光的3.5%左右),其余光透射进入水中,大部分被水吸收,部分被水中悬浮泥沙和有机物散射,构成水中散光,其中返回水面的部分称为后向散射光。部分透过水层,到达水底再反射,构成水体反射光,这部分光与后向散射光一起组成水中光,回到水面再折向空,透过大气被传感器所接收!(如下图)

    影响水体反射光谱特征的主要因素是水体自身的光学性质和水的状态。清水的反射主要在蓝绿波段(主要与水的化学成分:水分子/氢离子/氢氧根有关),在其他波段吸收都很强,特别是近红外波段,吸收更强!所以,水体的图像特征都表现为深色调,与周围地物相比色调反差大,且这种特性不随时相与区域而变化。

    水的状态是指水中所含有机、无机悬浮物的浓度,类型,粒度大小。在自然状态下不存在纯净的水体,各种悬浮的杂质对入射光有明显的吸收和散射作用。泥沙是水体悬浮物中的一种重要物质,它造成水的浑浊,提高了可见光区的反射率,提高的幅度随悬浮泥沙的浓度和粒径的增大而增大,并使最高反射率从蓝绿光向红光和近红外区移动。当泥沙浓度达到一定时,反射率基本稳定,达到饱和状态。(如下图)
    不同浓度泥沙与反射率对比图另外,水体富营养化也在很大程度上影响着水体光谱曲线变化。比如水中氮磷等成分的增加,导致藻类植物疯狂生长,水体叶绿素浓度增加,水体光谱曲线也随之发生变化(如下图)。
    在这里插入图片描述
    不同浓度叶绿素对水体光谱曲线的影响

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    Phong着色算法将模拟光对模型中每个顶点的影响。所以这个算法没法考虑阴影,它只会计算应用于每个顶点的光线,而不考虑顶点是否位于阻挡光线的物体后面。但是,正因为如此,这是一种非常简单快速的算法,可以提供非常好的效果。

    关于光的种类可以参考这篇文章OpenGL的环境光、点光源、聚光灯、方向光、材质的定义,本文主要介绍点光源、聚光灯、方向光在Phong算法下物体的效果。

    Phong算法中影响光照的三个因素

    • 环境光(Ambient):可以理解为现实中的白天的室内,白天在室内我们能看的见物体,但是并没有感知光线的方向,其实是因为太阳离我们太远了,导致我们周围的光线强度都是一样的。
    • 漫反射(Diffuse):面向光源的表面更亮。
    • 镜面反射(Specular):模拟光在抛光或金属表面的反射

    其实最终我们就是要计算出一个影响颜色的因子,在执行片段着色器程序时用这个变量fragColor去乘以该因子,进而根据接收的光线将颜色设置得更亮或更暗。将场景中对其他光的影响因素环境光、漫反射、镜面反射分别叫做A、D、S,则计算那个影响颜色的因子可以用下面公式来表示。

    • 如果模型没有纹理,将按照下面这个公式去算:
      在这里插入图片描述
    • 有纹理,将按照下面这个公式去算:
      在这里插入图片描述

    环境光(Ambient)对光线的影响

    它只是一个常数因素,可以使我们所有的物体更亮或更暗。环境光是最容易计算一种影响因素。我们只需要传递一种颜色,用它乘以模型的基色,它只是调制基色。所以我们只需要一个矢量来调制环境光强度和颜色。

    漫反射(Diffuse)对光的影响

    以点光源为例:假设有一个光源照在一个物体上,面向光源的一面整体会比背向光源的一面更亮。

    在这里插入图片描述

    对于漫反射的计算,首先在上图中的物体上取几个顶点位置P1、P2、P3,相应的顶点法向量为N1、N2、N3。顶点法向量是垂直于每个点的切平面的矢量。如下:

    在这里插入图片描述

    在上图中可以很明显的看出来,P1位置一定比P2更亮,P3基本不会受到该光源的影响。而P1位置比P2更亮是因为,P1受到的光照是从该顶点的正上方照射过来的,而P2受到的光线是比正上方稍微偏了一些。所以我们在计算每个顶点的漫反射影响因子时,顶点的法向量与该点受到光线的夹角是影响明暗的一个因素。

    现在我们列出计算漫反射的已知参数:

    • vPos: 顶点坐标
    • lPos:灯的坐标
    • intensity:光线的强度 (范围是 0 to 1).
    • lColour:光的颜色
    • normal:顶点法向量

    在这里插入图片描述

    1、每个顶点受到的光照方向
    在这里插入图片描述

    2、每个顶点受到的光线强度:这里用顶点的法向量点乘光的方向,作为光线强度的影响因子,在两个向量夹角在0-90度之间时,夹角越大,点乘值越大。
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    3、每个顶点的颜色如下:diffuseColour指的是,如果没有纹理,该物体在漫反射下的颜色,可以理解为定义的物体的颜色。

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    如果是放方向光(DirectionalLight),那么直略过第一步的计算灯光方向,其余过程都是一致的。

    镜面反射(Specular)对光的影响

    当光线照射到表面时,它的某些部分被吸收而另一部分被反射,反射就是光线从物体上反射回来。镜面反射如下:

    在这里插入图片描述

    将空间中的观察点,比作相机(Camera)对于镜面反射,最重要的是要注意,只有当相机处于适当的位置时,反射光才会可见。例如,如果相机位于反射光发射的区域,光线才会可见。是否可见如下:

    在这里插入图片描述

    计算镜面反射光的流程:

    1、首先求与入射光方向相反的向量
    在这里插入图片描述

    2、利用着色器的内置函数来计算反射光向量reflect(x,y)函数的是求x向量关于y向量的对称向量。
    在这里插入图片描述

    3、计算镜面反射光的强度cameraDirection是相机的方向向量。
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    4、当反射光直面相机的方向时,需要将反射光的强度加强。
    在这里插入图片描述

    5、最终的镜面反射光如下:specularColour指的是,如果没有纹理,该物体在镜面反射下的颜色,可以理解为定义的物体的颜色。
    在这里插入图片描述

    衰减(Attenuation)

    上面已经模拟了在环境光下,漫反射和镜面反射对点光源的影响。但是到此位置光模型仍然不完整,物体反射的光与光的距离是有关的,我们需要模拟光的衰减。
    在这里插入图片描述
    上面公式中dist表示光源到顶点的距离,atConstantatLinearatExponent表示三个调整参数,其实就将我们可以调整的参数范围变得更大更详细了。

    注意:只有点光源、聚光灯才需要考虑衰减。方向光是不用考虑衰减的。

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  • OpenGL 镜面反射光

    千次阅读 2017-05-07 17:08:12
    我们在计算环境的时候,的强度是唯一的影响因素。然后处理漫射的时候公式中加入了的方向参数。镜面反射包含了上面所有的综合因素并且添加了一个新的元素:观察者的位置。镜面反射时光以一定角度照射到物体...

    转载地址:http://www.2cto.com/kf/201611/561551.html

    背景

    我们在计算环境光的时候,光的强度是唯一的影响因素。然后处理漫射光的时候公式中加入了光的方向参数。镜面反射包含了上面所有的综合因素并且添加了一个新的元素:观察者的位置。镜面反射时光以一定角度照射到物体表面,同时会在法线的另一侧对称的角度上反射出去,如果观察者刚好在反射光线的路径上那么就会看到格外强烈的光线。

    镜面反射最终的结果是物体在从某个角度看上去会十分明亮,而移动开后这个光亮又会消失。现实中好的镜面反射的例子是金属物体,这些物体有时候看上去由于太亮了导致看不到他本来的颜色而是直接照向你眼睛的白色的亮光。但这种属性在其他的一些材料上是没有的(比如:木头)。很多东西根本不会发光,不管光源从什么角度照射以及观察者在什么位置。所以,镜面反射光的存在更取决于反射物体的材料性质而不是光源本身。

    现在看如何将观察者的位置加入到镜面反射光的计算当中,看下图:

    要注意五个因素:

    ‘I’ 是入射光

    ‘N’ 是表面法线

    ‘R’ 反射光,和入射光’I’关于法线对称,但方向相反

    ‘V’ 是从入射光和反射光交点处(入射点)到观察者眼睛的向量,表示观察者视线

    ‘α’ 反射光’R’和观察者视线’V’的夹角

    我们将使用夹角’α’来对镜面反射光现象进行建模。有一点可以看出当观察者视线和反射光重合时(夹角为0),反射光的强度最大。观察者慢慢从反射光’R’移开时,夹角慢慢变大,而我们希望随着角度增大反射光要慢慢衰弱。明显,这里又要使用差积运算来计算夹角’α’的余弦值了,这个值将作为计算镜面反射光公式的反射参数。当’α’为0时余弦值为1,这是我们反射参数的最大值。随着夹角’α’增大余弦值慢慢减小,直到夹角达到90度时就彻底没有镜面反射的效果了。当然,夹角大于90度时余弦值为负,也没有任何反射效果,也就是观察者不在反射光的路径范围内。

    我们要用到’R’和’V’来计算夹角’α’。’V’可以通过世界坐标系中观察者位置和光的入射点位置的差计算得到。camera已经在世界空间进行维护了,我们只需要将它的位置传给shader着色器。另外上面的图是经过简化了的模型,光在物体表面只有一个入射点(事实上不是,这里只是为了好分析)。事实上,整个三角形都被点亮了(假设它面向光源),因此我们要计算每一个像素的镜面反射效果(和漫反射光的计算一样)。我们必须要知道每个像素在世界空间的位置,这个不难:可以将顶点变换到世界空间,让光栅器对像素的世界空间位置进行插值并将结果传给片段着色器。事实上,这个和之前教程中对法线的处理操作是一样的。

    最后是要使用’I’向量(由应用传给shader)来计算反射光线’R’。如下图:

    首先要强调向量没有起点的概念,所有方向相同且长度相同的向量都是同一个向量。因此,图中将入射光向量’I’复制到表面下面位置向量本身是不变的。目标是求向量’R’,根据向量的加法,’R’等于’I’+’V’。’I’是已知的,所以我们要求’V’。注意法线’N’的反向向量为’-N’,计算’I’和’-N’的点积可以得到’I’在’-N’上的投影,这也是’V’的模长度的一半。另外’V’和’N’的方向是相同的,所以只要用计算的那个投影长度乘以单位向量’N’再乘以2就是向量’V’了。用公式简单表示如下:

    明白这个数学公式后可以说一个相关的知识点:GLSL提供了一个叫做’reflect’的内部函数就是做的上面这个计算。可以看下面这个函数在shader中的用法。这里得出计算镜面反射的最终公式:

    开始先是将光的颜色和物体表面的颜色相乘,这个和在计算环境光以及漫反射光时一样。得到的结果再和材料的镜面反射强度参数(’M’)相乘。如果材料没有反射性能,比如木头,那么镜面反射参数就为0,整个公式的结果也就为0了,而像金属这种发光材料镜面反射能力就会很强。之后再乘以光线和观察者视线夹角的余弦值,这也是最后一个调整镜面反射光强度的参数(‘镜面参数’或者叫做‘发光参数’)。镜面参数是用来增强加剧反射光区域边缘的强度的。下面的图片展示了镜面参数为1时的效果:

    下面的镜面参数为32:

    镜面反射能力也被认为是材料的一种属性,因此不同的物体会有不同的镜面反射能力值。

    源代码详解

    (lighting_technique.h:32)

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    class LightingTechnique : public Technique
    {
    public :
    ...
         void SetEyeWorldPos( const Vector3f& EyeWorldPos);
         void SetMatSpecularIntensity( float Intensity);
         void SetMatSpecularPower( float Power);
     
    private :
    ...
         GLuint m_eyeWorldPosLocation;
         GLuint m_matSpecularIntensityLocation;
         GLuint m_matSpecularPowerLocation;
    }

    LightingTechnique类中有了三个新属性:眼睛(观察者)的位置、镜面反射强度和材料的镜面参数。这三个参数都是独立于光线本身的,因为当同一束光照到不同的材料上(比如:木头和金属)时会有不同的反射发光效果。目前对材料属性的的使用模型还是很局限的,同一个绘制回调的所有三角形会得到这些属性的一样的值。如果同一个模型的不同部分的三角形图元是不同的材料,这样就不合理了。在后面的教程中讲关于mesh网格的加载时我们会在一个模块中产生不同的镜面参数值并作为顶点缓冲器的一部分(而不是shader的一个参数),这样我们就可以在同一个绘制回调中使用不同的镜面光照参数来处理三角形图元。这里简单的使用一个shader参数就可以实现效果(当然可以尝试在顶点缓冲中添加不同的镜面强度参数然后在shader中获取来实现更复杂的镜面效果)。

    (lighting.vs:12)

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    out vec3 WorldPos0;
     
    void main()
    {
         gl_Position = gWVP * vec4(Position, 1.0 );
         TexCoord0 = TexCoord;
         Normal0 = (gWorld * vec4(Normal, 0.0 )).xyz;
         WorldPos0 = (gWorld * vec4(Position, 1.0 )).xyz;
    }

    上面顶点着色器多了最后一行代码,世界变换矩阵(之前用来变换法线的那个世界变换矩阵)这里用来将顶点的世界坐标传给片段着色器。这里有一个技术点是使用两个不同的矩阵来变换本地坐标提供的同一个顶点位置,并将结果独立的传递给片段着色器。经过完整的变换(world-view-projection变换)后结果传递给系统变量’gl_Position’,然后GPU负责将它变换到屏幕空间坐标系并用来进行实际的光栅化操作。局部变换到世界空间的结果传给了一个用户自定义的属性,这个属性在光栅化阶段被进行了简单的插值,所以片段着色器中激活的每一个像素都会提供它自己的世界空间位置坐标。这种技术很普遍也很有用。

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    (lighting.fs: 5 )
    in vec3 WorldPos0;
    .
    .
    .
    uniform vec3 gEyeWorldPos;
    uniform float gMatSpecularIntensity;
    uniform float gSpecularPower;
     
    void main()
    {
         vec4 AmbientColor = vec4(gDirectionalLight.Color * gDirectionalLight.AmbientIntensity, 1 .0f);
         vec3 LightDirection = -gDirectionalLight.Direction;
         vec3 Normal = normalize(Normal0);
     
         float DiffuseFactor = dot(Normal, LightDirection);
     
         vec4 DiffuseColor = vec4( 0 , 0 , 0 , 0 );
         vec4 SpecularColor = vec4( 0 , 0 , 0 , 0 );
     
         if (DiffuseFactor > 0 ) {
             DiffuseColor = vec4(gDirectionalLight.Color, 1 .0f) *
                 gDirectionalLight.DiffuseIntensity *
                 DiffuseFactor;
     
             vec3 VertexToEye = normalize(gEyeWorldPos - WorldPos0);
             vec3 LightReflect = normalize(reflect(gDirectionalLight.Direction, Normal));
             float SpecularFactor = dot(VertexToEye, LightReflect);
             if (SpecularFactor > 0 ) {
                 SpecularFactor = pow(SpecularFactor, gSpecularPower);
                 SpecularColor = vec4(gDirectionalLight.Color * gMatSpecularIntensity * SpecularFactor, 1 .0f);
             }
         }
     
         FragColor = texture2D(gSampler, TexCoord0.xy) * (AmbientColor + DiffuseColor + SpecularColor);
    }

    片段着色器中的变化是多了三个新的一致性变量,用来存储计算镜面光线的一些属性(像眼睛的位置、镜面光强度和镜面反射参数)。环境光颜色的计算和前面两篇教程中的计算一样。然后创建漫射光和镜面光颜色向量并初始化为0,之后只有当光线和物体表面的角度小于90度时颜色值才不为零,这个要通过漫射光参数来检查(和在漫射光教程中说的一样)。

    下一步要计算世界空间中从顶点位置到观察者位置的向量,这个通过观察者世界坐标和顶点的世界坐标相减计算得到,其中观察者的世界坐标是一个一致变量对于所有的像素点来说都一样。为了方便后面的点积操作这个向量要进行单位化。然后,使用内置的’reflect’函数就可以计算反射光向量了(当然也可以自行按照上面背景中介绍的手动计算)。’reflect’函数有两个参数:光线向量和物体表面法向量。注意这里使用的是最原始的射向物体表面的那个光源向量而不是用于漫射光参数计算的反向的光源向量(见上面图示)。然后计算镜面反射参数,也就是反射光和顶点到观察者那个向量的夹角余弦值(还是通过点积计算得到)。

    镜面反射效果只有在那个夹角小于90度时才看得到,所以我们要先检查点积的结果是否大于0。最后一个镜面颜色值是通过将光源颜色和材料的镜面反射强度以及材料镜面反射参数相乘计算得到。我们将镜面颜色值添加到环境光和漫射光颜色中来制造光颜色的整体效果。最后和从纹理中取样的颜色相乘得到最终的像素颜色。

    (tutorial19.cpp:134)

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    m_pEffect->SetEyeWorldPos(m_pGameCamera->GetPos());
    m_pEffect->SetMatSpecularIntensity( 1 .0f);
    m_pEffect->SetMatSpecularPower( 32 );

    镜面反射光颜色的使用很简单。在渲染循环我们得到了camera的位置(在世界空间中已经维护好了)并将它传给了LightingTechnique类。这里还设置了镜面反射强度和镜面参数。剩下的就由着色器来处理了。

    可以调整镜面反射的参数值以及光源的方向来看效果。当然为了找到可以看到镜面反射光效果的位置可能需要围着物体转一圈。


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    光照条件:
    室内光通常影响不大,但是诸如直射太阳光之类的强光(需要考虑使用的机构光相机使用的是哪种光源,比如激光、强光、红外线,环境光中是否有影响因素)或者室外情况下会有影响
    材料属性:
    反照率 :高反照率的材料有更好的信噪比,从而可以得到更好的扫描质量。深色物体需要更长时间的曝光,噪声水平更高。
    (反照率albedo:材料属性,表达的是反射辐射和入射辐射的比值,比如雪或者白色的墙面都对光信号有比较好的反照率,相反的是深色物体会吸收光信号,从而反照率较差)
    反射率:通常扫描无光泽或者柔和光泽的物体没有问题,但是镜面反射的物体会影响扫描质量,而且一些情况下反射光还会干扰到其他部分的扫描质量,产生伪影,对于结构光相机来说,表面反射率高的物体就像一面镜子,不仅无法得到这个表面的深度信息,有时还会在“镜子”中产生其他物体的虚假的深度值,即伪影。
    或可通过增加扫描时间来改善?有经验的小伙伴请留言。
    透明物体:无法扫描如玻璃,冰或者水等透明物体。物体表面的塑料包装也会增加噪音风险。半透明物体或者高度透明物体参见透明物体。

    参考:http://wiki.photoneo.com/index.php/Scanning_best_practices

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空空如也

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影响光反射的因素