这里回顾GAMES101 Lecture 8，着色（光照与基本着色模型）。

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引子

上讲介绍了着色，即：

  • Blinn-Phong反射模型
    • 漫反射
    • 高光项
    • 环境光照
  • 备注：着色是指在特定的阴影点

本讲将继续介绍着色模型，具体来说，会介绍：

  • Blinn-Phong反射模型
    • 高光项和环境光照
  • 着色频率
  • 图形管道

漫反射项（Blinn-Phong反射模型）

漫反射的着色效果和$\mathbf v$无关，因为计算公式为：

高光项（Blinn-Phong反射模型）

高光项的强度取决于观察方向，在镜面反射方向很亮，注意到接近镜像方向的$\mathbf v$ ⇔ 半向量接近法线，接近程度通过单位向量的内积测量，图示如下：

计算公式：

符号说明：

  • $\mathbf h$：半程向量 ；
  • $k_s$：高光系数；
  • $L_s$：高光项；

$p$的作用调节高光项的影响，随着$p$增加，高光项的范围会变小：

环境光照项（Blinn-Phong反射模型）

环境光照是不依赖于任何物体的着色：

  • 添加恒定颜色；
  • 这是近似/错误的；

计算公式：

符号说明：

  • $k_a$：环境光照系数；
  • $L_a$：环境光照；

图示：

Blinn-Phong反射模型

将所有项结合，即可得到最终结果：

最终效果：

着色频率

从一个例子入手，什么原因导致着色效果的差异：

原因是着色频率不同，即：

  • 着色每个三角形；
  • 着色每个顶点；
  • 着色每个像素；

为每个三角形着色（平面着色）

平面着色：

  • 三角形面是平的，即三角形面共用一个法线向量；
  • 不适合光滑的表面；

效果：

对每个顶点进行着色（Gouraud着色）

Gouraud着色：

  • 根据三角形的顶点的结果进行插值；
  • 每个顶点都有一个法线；

对每个像素进行着色（Phong着色）

Phong着色：

  • 根据三角形的法线结果进行插值计算法线；
  • 计算每个像素的完整着色模型；
  • 不是Blinn-Phong反射模型；

着色频率：面、顶点或像素

定义每个顶点的法线

之前讨论的内容遗留了一个问题，即如何定义每个顶点的法线，这里给出一些方案：

  • 最好从底层几何体中获取顶点法线

    • 例如，考虑球体

  • 否则必须从三角形面推断顶点法线

    • 简单方案：平均周围三角形面的法线

    • 计算方式为

图示：

定义每个像素的法线

假设知道多边形顶点的法线，那么该如何求出三角形内部每个顶点的法线呢？方法是使用重心插值（并归一化），具体方式后续会介绍。

图形（实时渲染）管线

图形管线是指从一开始的点到最后图片的过程，涵盖了课程到现在的所有内容：

之前介绍的内容涉及了管线的不同部分：

最后是纹理映射（后续介绍）：

Shader Programs

  • 程序顶点和片段处理阶段；
  • 描述对单个顶点（或片段）的操作；
  • 着色器函数对每个片段执行一次；
  • 输出当前片段屏幕样本位置的表面颜色；
  • 着色器执行纹理查找以获取此时表面的材质颜色，然后执行漫反射光照计算；

图形管线实现：GPU

GPU是用于执行图形管线计算的专用处理器，是异构多核处理器。

纹理映射

我们希望在不同的位置有不同的颜色，由此引入了纹理的概念。纹理描述着色点的属性，例如可以指定不同位置的漫反射项的系数$k_d$：

那么如何表示着色点的不同属性？在此之前，我们首先要理解点在哪里？自然是在物体表面，这里有一个重要观点：每个3D表面点在2D图像（纹理）中也有一个位置。这一点可以从地球仪的例子进行理解：

纹理映射到表面后的效果

以一个例子来看纹理映射到表面后的效果：

左上是Blinn-Phong模型的效果，其右边是添加纹理后（贴图）的效果。（具体的实现类似指定表面和纹理的三角形对应关系。）

纹理坐标系

在贴图时涉及到坐标系，纹理中最常用的坐标系是$(u, v)$坐标系：

纹理可以使用多次

纹理可以复制使用，如果设计得当，可以做到无缝衔接：