利用MATLAB在三维场景中添加光照效果

# 1. 引言

#### 1.1 研究背景

在计算机图形学领域，光照模型是一种用于模拟光照效果的数学模型，它能够帮助我们在计算机中生成逼真的三维场景。随着计算机图形学和虚拟现实技术的快速发展，对于光照效果的需求也越来越高。因此，研究如何在计算机中实现真实感的光照效果成为了一个重要课题。

#### 1.2 研究目的

本文旨在介绍如何利用MATLAB软件实现基本的光照模型，并通过实验展示不同光照参数对三维场景的影响。通过本文的学习，读者可以了解光照模型的基本原理、MATLAB软件的基本操作方法以及如何利用MATLAB构建具有真实光照效果的三维场景。

#### 1.3 文章结构

本文将分为以下几个部分进行阐述：
- 光照模型概述：介绍光照模型的基本概念，包括光照模型的分类、Phong光照模型简介以及环境光、漫反射和镜面反射等内容。
- MATLAB简介和基础知识：介绍MATLAB的特点和应用领域、基本语法和函数、以及图形绘制和可视化工具的基本知识。
- 在MATLAB中创建三维场景：讲解如何利用MATLAB内置函数创建三维物体、设置物体的材质属性，以及导入外部模型文件并添加光照效果等操作步骤。
- 光照效果的实现：对光照效果中的环境光、漫反射光、镜面反射光和阴影效果进行详细讲解，并给出在MATLAB中的实现方法。
- 实验结果与讨论：展示不同光照参数对三维场景的影响，进行与其他方法的对比分析，同时通过可视化展示实验结果并进行讨论和改进建议。
- 结论：对主要研究工作进行总结，提出存在的问题和未来的研究方向等内容。

# 2. 光照模型概述

光照模型是计算机图形学中的重要概念，用于描述光线在物体表面上的反射和折射。光照模型能够帮助我们模拟真实世界中的光照效果，使得渲染出的三维场景更加逼真。本章将对光照模型进行概述，并重点介绍Phong光照模型的原理和实现方式。

### 2.1 光照模型分类

光照模型可以分为经验光照模型和物理光照模型两大类。经验光照模型是基于经验和观察得出的经验规律，例如Phong光照模型就属于经验光照模型。物理光照模型则是基于物理学光照理论建立的模型，较为精确地描述了光在真实世界中的行为，如Lambert光照模型和Blinn-Phong光照模型等。

### 2.2 Phong光照模型简介

Phong光照模型是一种经验光照模型，由Bui Tuong Phong在上世纪70年代提出，用于描述光照对物体表面的影响。该模型将光照效果分为环境光、漫反射和镜面反射三部分，并通过对每种光照成分的计算来模拟光线在物体表面的反射情况。

### 2.3 环境光、漫反射和镜面反射

- **环境光**：指的是物体表面在没有直接光照的情况下，仍然能够获得一定亮度的光照。通常用一个全局常数表示，模拟了光线在各个方向上多次反射形成的均匀光照。

- **漫反射**：描述了光线照射到粗糙表面后呈现出的均匀散射现象。漫反射光照强度与光线入射角和表面法向量的夹角成正比，常用于模拟物体的基础颜色和阴影。

- **镜面反射**：指的是光线照射到光滑表面后呈现出的镜面反射效果。镜面反射光照亮度受到视线、光源方向和表面法向量的共同影响，常用于模拟物体的高光部分，使其看起来更加光滑和反射。

以上是光照模型的基本概念及Phong光照模型的简介，接下来将结合MATLAB工具，详细介绍光照效果在实际场景中的实现方式。

# 3. MATLAB简介和基础知识

MATLAB是一种用于科学计算、数据分析和可视化的高级编程语言和环境。它提供了用于矩阵操作、函数绘制、数据分析和算法开发的丰富工具集。本章将介绍MATLAB的特点和应用领域，基本语法和函数，以及图形绘制和可视化工具。

##### 3.1 MATLAB的特点和应用领域

MATLAB具有以下特点：

- 简单易学：MATLAB具有直观的语法和界面，易于上手和使用。
- 高效计算：MATLAB内建了许多高效计算的优化功能，加速了科学计算和数据处理的速度。
- 丰富的工具集：MATLAB提供了丰富的工具箱和函数库，包含了各种科学计算、数据分析和可视化领域常用的工具和函数。
- 可扩展性：MATLAB支持用户自定义函数和工具箱的开发，可以根据具体需求进行扩展和定制。
- 多领域应用：MATLAB广泛应用于信号处理、图像处理、控制系统、人工智能、仿真建模等领域。

##### 3.2 MATLAB的基本语法和函数

MATLAB的基本语法和函数包括：

- 变量和赋值：使用变量存储数据，并使用赋值符号“=”给变量赋值。
- 数值运算：支持常见的数学运算，如加减乘除、指数运算、矩阵运算等。
- 函数调用：使用函数名称和参数列表调用内置函数或自定义函数。
- 控制流：通过条件语句（if-else语句）和循环语句（for循环、while循环）实现程序的控制流程。
- 数据类型：包括数值类型（整型、浮点型）、字符型、逻辑型等。