GAMES101 Lecture 07 Shading 1 (Illumination, Shading and Graphic Pipeline)

合集 - GAMES101学习笔记(8)

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4.GAMES101 Lecture 07 Shading 1 (Illumination, Shading and Graphic Pipeline)2024-03-24

5.GAMES101 Lecture 08 Shading 2 (Shading, Pipeline and Texture Mapping)2024-03-246.GAMES101 Lecture 09 Shading 3 (Texture Mapping cont2024-03-247.GAMES101 Lecture 10 Geometry 1 (Introduction)2024-03-248.GAMES101 Lecture 11 Geometry 2 (Curves and Surfaces)2024-03-24

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Lecture 07 Shading 1 (Illumination, Shading and Graphic Pipeline)

Illumination & Shading

Shading 着色在图形学上的定义：

在图形学上，对不同物体，应用不同材质的过程（不同的材质与光线的作用有不同方法）

Shading Model 着色模型

所有的计算都是在世界坐标系下完成的

Blinn-Phong Reflectance Model

这是一个简单的经验模型，并不是完全符合物理的

• Ambient lighting 环境光
• Diffuse reflection 漫反射
• Specular highlights 高光

• $n$法线
• $v$观察方向
• $l$ 光线方向
• $Surfaceparameters$表面参数
  • $shininess$表示有多亮，不是亮度，而是反光度
  • $color$ 颜色

$n、v、l$表示方向，所以是单位向量

获得方法为光源位置或摄像机减去shading point位置并归一化处理

着色不会产生阴影

Diffuse Reflection 漫反射

接收到光线多少能量，与角度有关

• Lambert's cosine law

给定一个Shading Point，就能计算出它接收到多少光

光线传播距离越长，对于任意一个点上，能接受到的能量越少

于是可以计算出有多少光传播到了当前Shading Point

结合前面有多少光会被吸收，就能得到diffuse的表示方法

$$\begin{gathered} L_d=k_d(I/r^2)max(0,n\cdot l) \\ {L}_d\mathrm{为}diffuse\mathrm{接}\mathrm{收}\mathrm{到}\mathrm{的}\mathrm{能}\mathrm{量} \\ {k}_d\mathrm{为}\mathrm{漫}\mathrm{反}\mathrm{射}\mathrm{系}\mathrm{数}(rgb\mathrm{颜}\mathrm{色}\mathrm{值}) \\ I/r^2\mathrm{为}\mathrm{到}\mathrm{达}shadingpoint\mathrm{的}\mathrm{能}\mathrm{量} \\ max(0,n\cdot l)\mathrm{为}\mathrm{被}shadingpoint\mathrm{接}\mathrm{收}\mathrm{的}\mathrm{能}\mathrm{量} \\ \mathrm{取}max\mathrm{的}\mathrm{原}\mathrm{因}\mathrm{为}，\mathrm{若}\mathrm{点}\mathrm{乘}\mathrm{结}\mathrm{果}\mathrm{为}\mathrm{负}\mathrm{数}，\mathrm{代}\mathrm{表}\mathrm{光}\mathrm{线}\mathrm{从}\mathrm{背}\mathrm{面}\mathrm{照}\mathrm{射}\mathrm{过}\mathrm{来}，\mathrm{无}\mathrm{物}\mathrm{理}\mathrm{意}\mathrm{义} \end{gathered}$$

补充：

以下补充来自于计算机图形学(OPENGL):光源

这里只考虑了真空中光因为距离衰减的强度，而现实中光在介质中传播，往往不是线性衰减

$$\begin{gathered} F_{att}=\frac{1.0}{K_c+K_1\ast d+K_q\ast d^2} \\ {K}_c\mathrm{是}\mathrm{常}\mathrm{数}\mathrm{项}，K_1\mathrm{是}\mathrm{线}\mathrm{性}\mathrm{项}\mathrm{系}\mathrm{数}，K_q\mathrm{是}\mathrm{二}\mathrm{次}\mathrm{项}\mathrm{系}\mathrm{数} \end{gathered}$$

• 常数项永远置为1来确保公式的分母不会大于1即衰减系数不会大于1。

• 线性项让衰减呈线性变化。

• 二次项让衰减在距离较短时影响小于线性项，在距离较远时影响高于线性项。

  

  公式的衰减大致分布

漫反射项只考虑了$n\mathrm{和}l$，没有考虑$v$，是因为漫反射朝着四面八方反射，与视线方向没有关系

光源在左上角，法线和光源方向点乘越接*1，漫反射越亮

并且可以看到$k_d$从小到大的变化

Specular Term 镜面高光

高光接*镜面反射方向，当视线方向接*

$$\begin{gathered} \mathrm{在}Blinn-Phong\mathrm{模}\mathrm{型}\mathrm{中}，\mathrm{判}\mathrm{断}\mathrm{法}\mathrm{线}\mathrm{方}\mathrm{向}\mathrm{是}\mathrm{否}\mathrm{接}\ast \mathrm{角}\ast \mathrm{分}\mathrm{线}\mathrm{方}\mathrm{向} \\ \mathrm{半}\mathrm{程}\mathrm{向}\mathrm{量}h=bisector(v,l) \\ =\frac{v+l}{\Vert v+l\Vert } \\ \uparrow \mathrm{由}\ast \mathrm{行}\mathrm{四}\mathrm{边}\mathrm{形}\mathrm{法}\mathrm{则}，\mathrm{角}\ast \mathrm{分}\mathrm{线}\mathrm{为}\mathrm{两}\mathrm{边}\mathrm{向}\mathrm{量}\mathrm{相}\mathrm{加}\mathrm{并}\mathrm{归}\mathrm{一}\mathrm{化} \\ {L}_s=k_s(I/r^2)max(0,\cos \alpha {)}^p \\ =k_s(I/r^2)max(0,n\cdot h{)}^p \\ \alpha \mathrm{为}\mathrm{法}\mathrm{线}\mathrm{与}\mathrm{光}\mathrm{线}\mathrm{方}\mathrm{向}\mathrm{与}\mathrm{视}\mathrm{线}\mathrm{方}\mathrm{向}\mathrm{夹}\mathrm{角}\mathrm{角}\ast \mathrm{分}\mathrm{线}\mathrm{的}\mathrm{夹}\mathrm{角} \\ {k}_s\mathrm{为}\mathrm{高}\mathrm{光}\mathrm{系}\mathrm{数}，\mathrm{表}\mathrm{示}\mathrm{高}\mathrm{光}\mathrm{颜}\mathrm{色}，\mathrm{通}\mathrm{常}\mathrm{认}\mathrm{为}\mathrm{是}\mathrm{白}\mathrm{的} \\ {L}_s\mathrm{为}\mathrm{最}\mathrm{终}\mathrm{得}\mathrm{到}\mathrm{的}\mathrm{镜}\mathrm{面}\mathrm{反}\mathrm{射}\mathrm{光} \end{gathered}$$

• Blinn-Phong模型为经验模型，没有计算镜面高光被物体吸收了多少

• 在Phong模型中，使用$\mathrm{镜}\mathrm{面}\mathrm{反}\mathrm{射}\mathrm{方}\mathrm{向}r$和$\mathrm{视}\mathrm{线}\mathrm{方}\mathrm{向}v$的点乘计算是否接*，Blinn-Phong模型是一个改进，因为半程向量比反射方向更好算

• 指数$p$是减少容忍度，在Blinn-Phong模型中一半为$100$到$200$

  

  

Ambient Term 环境光

• 我们认为环境光为一个固定的颜色
• 这是*似的，若要精确计算，需要用到全局光照(GI)

$L_{\alpha }=k_{\alpha }{I}_{\alpha }$

若一个点凹下去一点，在Blinn-Phong模型中不会更暗，所以这是一个简化模型

Blinn-Phong Reflection Model

将环境光、漫反射和镜面高光加起来

在Blinn-Phong模型中，没有考虑光线到摄像机的能量损失