【GAMES101现代计算机图形学入门笔记】Lec07 着色 1（光照）

柔情只为你懂 2022-10-30 12:22 280阅读 0赞

# Lec07 着色 1（光照） #

### 文章目录 ###

*  Lec07 着色 1（光照）
 *   *  深度缓存（Z-buffer）
     *   *  画家算法
         *  深度缓存算法
     *  着色（Shading）
     *   *  布林-冯模型（Blinn-Phong Reflectance Model）
         *   *  漫反射（Diffuse reflection）

## 深度缓存（Z-buffer） ##

当多个物体重叠在一起时，如何体现远近关系呢？

还记得，我们在Lec04中暂时忽略了z坐标。这节课就要对z——深度进行处理。

### 画家算法 ###

和画油画一样，先画远处的物体，再画近处的物体覆盖在其上。

缺点：先对物体排序（**O(nlogn)**）再绘制；无法处理循环遮挡。

### 深度缓存算法 ###

在画家算法中，每放上一个物体，都要对所有物体进行排序再绘制，还可能出现无法排序的状况。

而在深度缓存算法中，我们是对**每个像素的最浅深度**进行缓存。

*  **frame buffer** stores color values （buffer大小与屏幕大小一致）
 *  **depth buffer** stores depth （buffer大小与屏幕大小一致）

![20210219145059241.jpg][]

（与Lec04不同，这里假设深度z恒大于0，即深度越小离我们越近，对应到颜色上也就是越黑：黑色000000，白色FFFFFF）

新放上一个物体时，对于屏幕上的每个像素，如果该点属于新物体的投影，那么极有可能深度就变了。如果比原来变得更小，那么就要**更新该点的rgb值和深度值**，反之则不做处理。

for (each triangle T)
    	for (each sample (x,y,z) in T)
    		if (z<zbuffer[x,y]) {
    			framebuffer[x,y] = rgb; //更新颜色
    			zbuffer[x,y] = z; //更新最浅深度
    		}
    		else
    			;

**时间复杂度**：n个三角形，时间复杂度为**O(n)**. 这里假设每个三角形覆盖常数个像素。我们**无需排序**；每次更新画面时，只需要记录、更新当前的深度缓存即可。

很显然，画面结果与物体的绘制顺序无关（只要不出现在同一像素深度相等的情况。事实上，浮点数是很难完全相等的）。

应用MSAA时，可能要对每个采样点进行深度缓存。

Z-Buffer is the most important visibility algorithm!

It is implemented in hardware for all GPUs.

## 着色（Shading） ##

即便是只有一种颜色的物体，在光照下不同部位也会呈现不同的颜色。**着色**就是让物体体现出光照下的明暗关系，其实也就是引入了不同的**材质**。

注意！着色只考虑**局部**点的光照，与场景中其他点无关。因此**不考虑全局光照、不产生阴影**。

![20210219145108873.jpg][]

### 布林-冯模型（Blinn-Phong Reflectance Model） ###

![20210219145116412.jpg][]

物体表面的光照效果可以分为三类：

*  镜面高光（Specular highlights）
 *  漫反射（Diffuse reflection）
 *  间接/环境光照（Ambient lighting）

在分析这三类光照之前，我们先来做一些定义：

![20210219145137486.jpg][]

我们是在物体表面的**某一点**进行着色。定义观测方向、着色点法线、光照方向和物体表面参数。

要分析布林-冯光照模型，我们先从漫反射说起。

#### 漫反射（Diffuse reflection） ####

所谓漫反射，就是在粗糙表面，光线射入后均匀地反射向所有方向：

![20210219145144686.jpg][]

为了得到着色点光的强度，我们考虑以下两件事：

第一，把光看作能量，可以知道**光线与物体表面的夹角**决定了多少能量能够被吸收。这也恰恰反映了为什么物体不同表面的明暗程度会有所差异——因为它们的角度不同。回想四季太阳直射图：

![20210219145151733.jpg][]

根据兰伯特余弦定理（Lambert’s cosine law），物体单位面积吸收的光能与**光线与法线夹角的余弦**成正比：

![20210219145158242.jpg][]

第二，我们还要计算着色点处的光线强度——这与距离发光点的远近有关。

![20210219145205292.jpg][]

考虑到光波是以球面的形式进行传播，上图每个球面对于同一光波在不同时刻的扩散状态。尽管球面大小不一样，但光波的能量是相同的。因此，球面上某一点的能量与球的表面积 4 π r 2 4\\pi r^2 4πr2成反比。

综上所述（知道了有多少光传播到着色点 & 有多少光被吸收），我们就能够给出理想散射公式（Lambertian Diffuse Shading）：

![2021021914521390.jpg][]

*  在每个着色点，其颜色（散射参数）可能不同。如果把 k d k\_d kd看作三通道的向量，就可以表示rgb颜色
 *  如果光线是从物体内部射出（ n ⋅ l < 0 \\bold\{n\}\\cdot\\bold\{l\}<0 n⋅l<0），则视为没有物理意义。所以要取其和0的最大者
 *  散射是射向所有方向的，因此与观测方向 v \\bold\{v\} v无关

[20210219145059241.jpg]: /images/20221024/1e387c98d7924b589fbfc40619a27e56.png
[20210219145108873.jpg]: /images/20221024/80c0c525f9df46b39192770dd83f5efd.png
[20210219145116412.jpg]: /images/20221024/54445ebc21be43d8bac81d1ba19ba44d.png
[20210219145137486.jpg]: /images/20221024/61ebb18e8496431d897138e7110db7e4.png
[20210219145144686.jpg]: /images/20221024/155c413ddeae4290b801c5e5d81f257b.png
[20210219145151733.jpg]: /images/20221024/110a884a1f0c487f96b29c5b05c541be.png
[20210219145158242.jpg]: /images/20221024/af3499dde55948e8868be5cfaef6edac.png
[20210219145205292.jpg]: /images/20221024/ca09775d9d51449a85bfa0d69e64b6c1.png
[2021021914521390.jpg]: /images/20221024/f43c592ea6bb4a668f2ba164a92e7e45.png