07 Shading (Illumination, Shading and Graphics Pipeline)

关键点

• Blinn-Phong Reflectance Model(Specular, Diffuse, Ambient)
• Shading Frequencies(Flat Shading, Gouraud Shading, Phong Shading)

1. Blinn-Phong Reflectance Model

对不同的物体应用不同的材质，不同的材质与光线的相互作用存在不同的方法。

1.1 光源

• Specular highlights 高光反射
• Diffuse reflection 漫反射
• Ambient light 环境光照
  

1.2 Shading Point

• 所有向量都是单位向量。
• 着色是局部操作，只考虑该点与光的关系，不考虑其他点的影响，所以没有阴影。

1.3 Diffusion Reflection

1.3.1 Lambert's Cosine Law

物理表面法线与光线的夹角影响到了入射光线的量，相应的影响了单位面积的入射光的能量，最终出现不同夹角的亮度不同的漫反射现象。接收到的能量与法线方向和光线方向的夹角余弦成正比。

1.3.2 Light Falloff

光源辐射出的能量在离光源越远的地方能量密度越小，与距离的平方成反比。

1.3.3 Lambertian(Diffuse) Shading

• 取max(0,cos(theta))是因为余弦值小于零没有物理意义。
• 不同材质的点对不同波长有不同的吸收率。定义\(k_d\)为反射率，等于1表明完全反射，等于0表明完全吸收。对于RGB三个通道，分别定义一个反射率。
• 对于漫反射，不同方向的反射光一致，即与\(\vec{v}\)无关。

1.4 Specular

高光是入射光线直接反射，并在反射方向附近区域有一种分布。当观察方向与镜面反射方向接近时，可以观察到高光。

1.4.1 Blinn-Phong

观察方向\(\vec{v}\)与反射方向\(\vec{R}\)接近，可以看作半程向量与法线方向接近。

• 使用半程向量与法线方向的余弦作为相近性程度判断
• 同样有高光反射系数，与能量衰减，但是没有接受部分的比例，这是因为是经验公式
• 使用半程向量可以减少计算量
• 余弦有指数，是因为余弦的容忍度太高，对角度偏转不敏感，相当于认为高光区域很分散，下图中p=64就可以限制高光范围不超过30°，一般采用p>=100。
  
  

1.5 Ambient

下面将环境光假设为空间分布的常数，实际上并非如此，与全局光照相关。

1.6 Blinn-Phong Reflectance Model

2. Shading Frequencies

2.1 Three types

下图分别为，对平面做shading，对顶点做shading（其他区域插值），对像素做shading。

• Flat Shading
  三角形法线可以通过两条边叉积得到。
  
• Gouraud Shading
  三角形较大会导致高光不明显。
  
• Phong Shading
  
  当面频率很高时，Flat shading也能达到很好的效果，但是由于模型较复杂，Phong shading不一定计算量更大。在面不是很密集的一般情况下，Phong Shading还是效果更好。
  

2.2 Normal Vectors

2.2.1 Per-Vertex Normal Vectors

• 如果知道定点所在的切面，可使用切面法向量，但是过于理想。
• 使用周围面的加权平均。
  

2.2.2 Per-Pixel Normal Vectors

• 由顶点法线做插值，并归一化。
  

来源

[1]Games101. 闫令琪