GAMES101-7 20200303 20210708 Shading 1 (Illumination, Shading and Graphics Pipeline)

7 20200303 / 20210708 Shading 1 (Illumination, Shading and Graphics Pipeline)

深度缓存：解决可见性/遮挡问题

Painter’s Algorithm

• 从后向前绘制，overwrite in the frame buffer
• 需要考虑绘制顺序
• Requires sorting in depth (O(n log n) for n triangles) Can have unresolvable depth order
  • 但会出现无法定义深度关系的情况

Z-Buffer 深度缓存

• This is the algorithm that eventually won.

• Idea:

  • Store current min. z-value for each sample (pixel) 记录像素最浅深度
  • Needs an additional buffer for depth values
  • frame buffer stores color values (color buffer)
  • depth buffer (z-buffer) stores depth (depth buffer)

• IMPORTANT: For simplicity we suppose

  • z is always positive
    (smaller z -> closer, larger z -> further)

    

• Algorighm

  
  • 初始深度无限远
  • 把三角形做光栅化为像素
  • 找到像素后找到其深度
  • z 值小就更新

• z-buffer Complexity

• O(n) for n triangles (assuming constant coverage)

• How is it possible to sort n triangles in linear time?

  • 并没有排序 只是进行了比较 找最小值

• 绘制顺序不同不影响结果

  • 两个浮点数基本不可能完全相等

• Most important visibility algorithm

  • Implemented in hardware for all GPUs

• z-buffer 处理不了透明物体

What we’ve covered so far

Shading 着色

Definition

• In Merriam-Webster Dictionary
  • shading, noun
    The darkening or coloring of an illustration or diagram with parallel lines or a block of color.
  • In this course
    • The process of applying a material to an object.

A Simple Shading Model (Blinn-Phong Reflectance Model)

• Perceptual Observations

  
  • 高光 specular highlights
  • 漫反射 diffuse reflection
  • 环境光 ambient lighting

• Shading is Local - 着色局部性只看自己 不考虑其他任何物体的存在 所以没有阴影 (shading ≠ shadow)

  

Diffuse Reflection

• 把光看作能量 （Lambert）
  看着色点周围单位面积能够接收到多少能量
  直射接收到的能量 > 折射接收到的能量

• Light Falloff

  
  • 能量守恒 - 单位点的能量越来越小 （不同球体表面积所含能量相同）

• Lambertian (Diffuse) Shading

  

• $L_d = k_d (I/r^2)\max(0,\bf{n · l})$

  • $k_d$: 着色点对于光的吸收率
    • 如果 $k_d = 1$
      • 表示该点完全不吸收能量 - 最亮
    • 如果 $k_d = 0$
      • 表示该点完全吸收能量没有能量反射出去 - 最暗
    • 如果定义为三通道的 rgb 分别有 01
      • 那么就可以定义颜色值
  • $I/r^2$：传播到着色点的强度（结合能量球来看 总面积为 $4\pi r^2$ 距离为 r，那么单位强度就是 $\frac{I}{4\pi r^2}$，为平方反比关系）
    • I: 点光源在单位距离上的强度
    • r: 点光源和着色点的距离
  • $max(0, \bf{n · l})$
    • 为什么有 0
      • 如果是负数代表从反面照射没有意义
    • $\bf{n · l}$ 为余弦角
    • 整体表示被着色点能接收到的能量的比例
  • 漫反射与V无关 - 和观测点无关