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[摘 要]计算机图形学是一个发展较快且值得被研究的计算机领域，计算机图像处理技术亦获得突飞猛进的发展，二者在许多应用中都紧密结合在一起。虽然計算机图形学和计算机图像处理中所使用的技术有所重叠，但两者却有不同的应用。本文提出了艺术图像处理中的一种泛光灯渲染技术。利用泛光灯渲染处理技术，用户能够获得较逼真的泛光灯渲染效果，该技术可广泛应用于艺术图像处理等领域，用以弥补原图像未加泛光灯渲染的不足。
[关键词]图像处理；泛光灯；灯光渲染
中图分类号：U857 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）34-0309-01
一、灯光渲染的基本内容
在计算机图形学中使用计算机来生成图，计算机图像处理则使用有关技术修改或解释现有图片，比如照片和扫描图片。图像处理的两个主要应用是：（1）改善 图片质量；（2）对视觉信息的机器感觉，如应用于机器人。要使用图像处理方法，首先必须将照片或其它图片数字化成图像文件，然后才可用数字方法来重新安排图片部分的位置，提高颜色的分离或改善着色质量，即运用图像处理技术来处理图像。
二、灯光渲染的算法和基本原理
灯光渲染是艺术图像处理中的一个重要方面。对艺术图像进行光照渲染，能在对象的可见面上。产生自然光照效果，可以实现图像场景的真实感显示.光照明模型，亦称光照模型或明暗模型，主要用于物体表面某点处的光强度的计算.计算物体表面某点处的光强度的常用方法有面绘制算法、光线跟踪算法等.面绘制算法，通过光照模型中的光强度计算来确定场景中物体表面的所有投影象素点的光强度.在实际=i作时通常有两种做法：其一是将光照模型应用于每个可见面的每个点，另一种方法则是，经过少量的光照模型计算而在面片上对亮度进行插值.光线跟踪算法是在每一象素点处用照明模型计算光强度值。本方法的处理原理是基于光线跟踪算法提出来的。光线投射是指每个象素单元射出光线.并求出光线与结构实体儿何法方法建模生成的物体表面的支点。
2.1 光线跟踪算法
光线跟踪是光线投射思想的延伸，不仅为每个象素寻找可见面，还跟踪光线在场景中的反射和折射，并计算它们对总光强度的贡献。光线跟踪技术虽然能够生成高度真实感的图形，特别对于表面光滑的物体，但计算量极大。
此外，光线跟踪过程也可以表示成一棵二义树，每个结点代表一个物体。由每个结点发出一条反射分支，一条折射分支。如果光线遇到一个物体，一般会产生一条反射光线和一条折射光线。光线跟踪的终止条件是指当所跟踪的光线满足下列条件之一时，就不再沿着这条光线继续跟踪了，这些条件主要有，该光线没有碰到任何物体或者该光线碰到了背景以及其他的情况下。
2.2 本文泛光灯的算法原理
（1）物体的基本光照情况
当光线照射到一个物体表面上，不外乎会出现三种情况：部分光线到达表面后向空间反射，部分光线穿透物体发生透射，部分光线转化为热。能被物体表面吸收。其中只有反射和透射光能够进入人眼产生视觉效果。物体对光的反射分为漫反射、镜面反射和环境光反射。不同材质，不同的表面粗糙程度，对光的反射、透射情况不同。物体表面的材质类型决定了反射光线的强弱。当光线投射到不透明物体表面时，以反射、吸收光线为主；当光线投射到透明物体表面时，以反射、折射光线为主。粗糙物体表面主要呈现漫反射，即反射光向各个方向散射；非常光滑的物体表面。则会明显产生高光，即镜面反射。高光效果在磨光的物体表面很明显，而对于阴暗物体表面则效果较差。
（2）物体的光照计算
我们用参数la表示环境光的大小，Kd表示物体表面的反射属性，Kd可取0与1之间的常数若希望反射率较高，则Kd的值接近1，这样就可能得到与入射光强度接近的反射光；若希望物体表面能吸收较多的光，则只需将Kd的值设置接近0。物体表面上某点处漫反射的光强为：Iamb二Kd*la.若设V与R是观察方向和镜面反射方向的单位矢量，Ks为镜面反射系数，Il为光源强度。为镜面反射参数，则物体表面某点处的镜面反射为：
Ispe=Ks*II（V·R）n
辐射光线从一点光源出发在空间传播时，它的强度按因子1淤进行衰减（d为光线经过的路程长度）.这表明一个接近光源（d较小）的表面将得到较高的入射光强度，而较远的表面则强度较小.因此，若要得到真实感的光照效果，必须考虑光强度衰减。否则对所有表面赋以同样的光强度，而不考虑它们离光源的距离，必定会影响真实效果。然而，若采用因子1/d来进行光强度衰减，简单的点光源照明并不一定能产生真实效果。当d很小时，1/c会产生过大的强度变化，而d很大时变化又太小，所以，需要进行修正。
对于彩色图形，为了包含颜色，需要将强度方程表示为光源和物体表面颜色属性的函数.在RGB描述中，场景中的每个颜色均用红、绿、蓝三个分量来表示.在计算时，应分别计算这三个分量.例如，物体表面上某点处漫反射的光强为：
Iamb （R）=Kd*la （R）， lamb（G）= Kd*la （G），
Iamb （B）=Kd*la （B）
其它亦然。
（3）艺术图像的光照渲染
数字艺术图像的光照渲染也是遵循上述原理，由于数字图像与三维物体相比有其特殊性，在实现时应进行适当的调整、简化。数字图像实际是平面的，它的二维层次感是利用象素值的不同来体现的。需处理对象实际上是一个平面。对于光源，没有必要计算它发出的所有光，只需计算它对场景中有作用的那部分。对于场景中的光，亦只需考虑通过视屏所能看到的那部分光。只有处在图像前面并且落在数字图像上的那部分光才对该图像有效果。即在处理过程中只需计算数字图像中每个象素点的光强。
（4）泛光灯的灯光渲染
这里我们假设在场景中仅设置有一盏泛光灯，对于多盏泛光灯，处理方法类似。当场景中有一盏泛光灯时，灯光影响图像的视觉效果与灯源离图像的距离成同向变化，即灯离图像越远，影响图像的范围越大。而图像中某点的光强则与灯离图像的距离成反同变化，即该点离灯的距离越远，该点受该灯的影响越小.通过计算某点离灯的距离来调节该点的象素值，从而在图像上表现出灯光渲染的效果。数字图像难以直接得到物体间的位置，我们给出灯光的强度和灯光的照射范围供调节。
三、结语
本文给出了一种艺术图像处理中的泛光灯渲染方法，此方法具有渲染速度快，易于实现，图像失真小的优点.该项研究是在承接了某单位的一个艺术图像处理软件开发项目的条件下开展的，此方法直接应用在了该项目中，获得了广泛的认可，并收到了良好的效果.我们认为，此方法不仅可应用于艺术图像处理领域，也可应用于其它需要泛光灯渲染的数字图像处理领域。
参考文献
[1] 任继成，刘慎权.区域填充扫描线算法的改进[J].计算机辅助设计与图形学学报，1998 （6）：481- 486.
[2] 唐泽圣，孙家广主编.中国计算机图形学的新发展 --Chinagraph'98论文集.清华大学出版社.北京.1998： 18-22.
[3] 蔡十杰，黄豫清等译.计算.（JL图形学[M].电子工业出版社，北京，1998：7-8.
[4] 李新友编.计算机图象综合技术[M].机械丁业出版. 北京，1997：183-183.
[5] 蒋将.计算机技术在灯光艺术中的应用[J].信息与电脑（理论版），2013（06）：187-188.
[6] 秦汉.人·室内空间·灯光艺术[J].灯与照明，2004（03）：18-20.
[7] 王选强.现代科技下的灯光艺术[J].电视工程，2017（01）：46-47.
[8] 雷欣.灯光艺术的革命[J].现代电视技术，2004（06）：134-136.
[9] 陈国义 ，吕兆康.新型双机计算机灯光控制台在上戏诞生[J].上海戏剧，1989（05）：28.
[10] 雷欣.计算机技术与灯光艺术相结合的发展[J].现代电视技术，1998（05）：63-65.
[关键词]图像处理；泛光灯；灯光渲染
中图分类号：U857 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）34-0309-01
一、灯光渲染的基本内容
在计算机图形学中使用计算机来生成图，计算机图像处理则使用有关技术修改或解释现有图片，比如照片和扫描图片。图像处理的两个主要应用是：（1）改善 图片质量；（2）对视觉信息的机器感觉，如应用于机器人。要使用图像处理方法，首先必须将照片或其它图片数字化成图像文件，然后才可用数字方法来重新安排图片部分的位置，提高颜色的分离或改善着色质量，即运用图像处理技术来处理图像。
二、灯光渲染的算法和基本原理
灯光渲染是艺术图像处理中的一个重要方面。对艺术图像进行光照渲染，能在对象的可见面上。产生自然光照效果，可以实现图像场景的真实感显示.光照明模型，亦称光照模型或明暗模型，主要用于物体表面某点处的光强度的计算.计算物体表面某点处的光强度的常用方法有面绘制算法、光线跟踪算法等.面绘制算法，通过光照模型中的光强度计算来确定场景中物体表面的所有投影象素点的光强度.在实际=i作时通常有两种做法：其一是将光照模型应用于每个可见面的每个点，另一种方法则是，经过少量的光照模型计算而在面片上对亮度进行插值.光线跟踪算法是在每一象素点处用照明模型计算光强度值。本方法的处理原理是基于光线跟踪算法提出来的。光线投射是指每个象素单元射出光线.并求出光线与结构实体儿何法方法建模生成的物体表面的支点。
2.1 光线跟踪算法
光线跟踪是光线投射思想的延伸，不仅为每个象素寻找可见面，还跟踪光线在场景中的反射和折射，并计算它们对总光强度的贡献。光线跟踪技术虽然能够生成高度真实感的图形，特别对于表面光滑的物体，但计算量极大。
此外，光线跟踪过程也可以表示成一棵二义树，每个结点代表一个物体。由每个结点发出一条反射分支，一条折射分支。如果光线遇到一个物体，一般会产生一条反射光线和一条折射光线。光线跟踪的终止条件是指当所跟踪的光线满足下列条件之一时，就不再沿着这条光线继续跟踪了，这些条件主要有，该光线没有碰到任何物体或者该光线碰到了背景以及其他的情况下。
2.2 本文泛光灯的算法原理
（1）物体的基本光照情况
当光线照射到一个物体表面上，不外乎会出现三种情况：部分光线到达表面后向空间反射，部分光线穿透物体发生透射，部分光线转化为热。能被物体表面吸收。其中只有反射和透射光能够进入人眼产生视觉效果。物体对光的反射分为漫反射、镜面反射和环境光反射。不同材质，不同的表面粗糙程度，对光的反射、透射情况不同。物体表面的材质类型决定了反射光线的强弱。当光线投射到不透明物体表面时，以反射、吸收光线为主；当光线投射到透明物体表面时，以反射、折射光线为主。粗糙物体表面主要呈现漫反射，即反射光向各个方向散射；非常光滑的物体表面。则会明显产生高光，即镜面反射。高光效果在磨光的物体表面很明显，而对于阴暗物体表面则效果较差。
（2）物体的光照计算
我们用参数la表示环境光的大小，Kd表示物体表面的反射属性，Kd可取0与1之间的常数若希望反射率较高，则Kd的值接近1，这样就可能得到与入射光强度接近的反射光；若希望物体表面能吸收较多的光，则只需将Kd的值设置接近0。物体表面上某点处漫反射的光强为：Iamb二Kd*la.若设V与R是观察方向和镜面反射方向的单位矢量，Ks为镜面反射系数，Il为光源强度。为镜面反射参数，则物体表面某点处的镜面反射为：
Ispe=Ks*II（V·R）n
辐射光线从一点光源出发在空间传播时，它的强度按因子1淤进行衰减（d为光线经过的路程长度）.这表明一个接近光源（d较小）的表面将得到较高的入射光强度，而较远的表面则强度较小.因此，若要得到真实感的光照效果，必须考虑光强度衰减。否则对所有表面赋以同样的光强度，而不考虑它们离光源的距离，必定会影响真实效果。然而，若采用因子1/d来进行光强度衰减，简单的点光源照明并不一定能产生真实效果。当d很小时，1/c会产生过大的强度变化，而d很大时变化又太小，所以，需要进行修正。
对于彩色图形，为了包含颜色，需要将强度方程表示为光源和物体表面颜色属性的函数.在RGB描述中，场景中的每个颜色均用红、绿、蓝三个分量来表示.在计算时，应分别计算这三个分量.例如，物体表面上某点处漫反射的光强为：
Iamb （R）=Kd*la （R）， lamb（G）= Kd*la （G），
Iamb （B）=Kd*la （B）
其它亦然。
（3）艺术图像的光照渲染
数字艺术图像的光照渲染也是遵循上述原理，由于数字图像与三维物体相比有其特殊性，在实现时应进行适当的调整、简化。数字图像实际是平面的，它的二维层次感是利用象素值的不同来体现的。需处理对象实际上是一个平面。对于光源，没有必要计算它发出的所有光，只需计算它对场景中有作用的那部分。对于场景中的光，亦只需考虑通过视屏所能看到的那部分光。只有处在图像前面并且落在数字图像上的那部分光才对该图像有效果。即在处理过程中只需计算数字图像中每个象素点的光强。
（4）泛光灯的灯光渲染
这里我们假设在场景中仅设置有一盏泛光灯，对于多盏泛光灯，处理方法类似。当场景中有一盏泛光灯时，灯光影响图像的视觉效果与灯源离图像的距离成同向变化，即灯离图像越远，影响图像的范围越大。而图像中某点的光强则与灯离图像的距离成反同变化，即该点离灯的距离越远，该点受该灯的影响越小.通过计算某点离灯的距离来调节该点的象素值，从而在图像上表现出灯光渲染的效果。数字图像难以直接得到物体间的位置，我们给出灯光的强度和灯光的照射范围供调节。
三、结语
本文给出了一种艺术图像处理中的泛光灯渲染方法，此方法具有渲染速度快，易于实现，图像失真小的优点.该项研究是在承接了某单位的一个艺术图像处理软件开发项目的条件下开展的，此方法直接应用在了该项目中，获得了广泛的认可，并收到了良好的效果.我们认为，此方法不仅可应用于艺术图像处理领域，也可应用于其它需要泛光灯渲染的数字图像处理领域。
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