GAMES101-8 20200306/20210708 Shading 2 (Shading, Pipeline and Texture Mapping)

8 20200306/20210708 Shading 2 (Shading, Pipeline and Texture Mapping)

A Simple Shading Model (Blinn-Phong Reflectance Model)

Diffuse Term (last time)

Specular Term (Blinn-Phong)

• 高光项是因为观察方向和镜面反射方向足够接近（$\bf{v,R}$ 足够接近）

• 相当于法线方向 $\vec n$ 和半程向量 $\vec h$（即 $\bf{I,v}$ 向量加和后归一的方向）很接近

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

• specular
  $L_s = k_s (I/r^2)\max(0,\cos \alpha)^p\
  = k_s (I/r^2)\max(0,\bf{n · h})^p$

  • 这里按理也要考虑能量吸收 $\max(0,\bf{n · l})$
    但因为 blinn-phong 是经验模型 所以简化掉了

  • $p$ 指数为高光修正 用于控制高光可见范围 为保证只有小范围能看到高光 可能值为 100-200

    

Ambient Term (Blinn-Phong)

• $L_a = k_a I_a$
  • 环境光不管从哪里进来 和 v 无关
  • 假设在哪里看都一样 和 w 无关
  • 环境光是常数 作用是保证没有地方是完全黑的
  • 精确计算需要环境光照

Sum: Blinn-Phong Reflection Model

• $L = L_a + L_d + L_s$

Shading Frequencies 着色频率

• 着色频率：（着色粒度）着色应用在哪些点

  • 分别表示着色在平面/顶点/像素上

• 每个平面着色 (flat shading)

  

• 每个顶点着色 (Gouraud shading)

  
  • 内部插值

• 每个像素着色 (Phong shading)

  
  • not the blinn-phong reflectance model (model 是着色模型，phong shading 是着色频率)

• 计算量开销不一定谁大

  

Defining Per-Vertex Normal Vectors 算逐顶点法线

• 做顶点所关联的面的法线做加权平均

  

Defining Per-Pixel Normal Vectors 算逐像素法线

• 需要用重心坐标

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把以上内容合起来

Graphics (Real-time Rendering) Pipeline

• Graphics Pipeline

  • vertex processing 输入一堆点

  • MVP 投影到屏幕上

    

  • Triangle Processing 形成三角形

  • Rasterization 光栅化离散成 fragments （fragment 类比于像素）

    

  • Fragment Processing 着色 shading

    
    • 需要看到底是顶点着色还是像素着色
    • 控制顶点/像素着色的着色器：shader
    • texture mapping 纹理映射

  • 显示 output

Shader Programs

• 每个顶点/fragment会执行一次 所以只考虑一个顶点/像素的操作

• 写的是通用程序

  • 如果写的是顶点操作 - vertex shader
  • 如果写的是fragment - fragment shader

  Shadertoy BETA

  

• Inigo Quilez

  • Procedurally modeled, 800 line shader.
  • http://shadertoy.com/view/ld3Gz2

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线代图形学发展

Goal: Highly Complex 3D Scenes in Realtime

Graphics Pipeline Implementation: GPUs

• 实现

• 三角形怎么光栅化

• 如何投影

• …

  
  • GPU：可以理解为高度并行化的处理器

以上为图形管线

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Texture Mapping 纹理映射

• Different Colors at different places

  

• 引入纹理映射的原因：在物体不同位置引入不同属性

  • 如漫反射属性

• 纹理和着色的区别：

  • 纹理：定义着色的时候各个不同点的属性 不希望每个点都以相同方式进行着色

• Surfaces are 2D

  
  • 每个三维物体的表面都是二维
  • 纹理：就是一张图 有一一对应关系

• Texture Applied to Surface

  

• 如何把空间中的三角形映射到纹理上？

  • 美工/程序人工映射
  • 自动映射 parameterazation 参数化 很难

• Visualization of Texutre Coordinates

  

• uv 纹理坐标系

  • 范围 0-1

• 可重复使用

  

• Textures can be used multiple times

  
  • 纹理设计得好就可以无缝衔接
  • tileable texture
  • Wang tiling

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• next：知道三角形三个顶点 uv
  如何知道三角形内部 uv - 插值

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