opengl
Podstawowe oświetlenie

Model oświetlenia Phong

UWAGA: Ten przykład to WIP, zostanie zaktualizowany o diagramy, obrazy, więcej przykładów itp.

Co to jest Phong?

Phong jest bardzo prostym, ale prawdziwie wyglądającym modelem świetlnym dla powierzchni składających się z trzech części: oświetlenia otoczenia, rozproszonego i lustrzanego.

Otaczające światło:

Oświetlenie otoczenia jest najprostszą z trzech części do zrozumienia i obliczenia. Oświetlenie otoczenia to światło, które zalewa scenę i równomiernie oświetla obiekt we wszystkich kierunkach.

Dwie zmienne w oświetleniu otoczenia to siła otoczenia i kolor otoczenia. W module cieniującym fragmenty następujące opcje będą działać w przypadku ambient:

in vec3 objColor;

out vec3 finalColor;

uniform vec3 lightColor;

void main() {
   float ambientStrength = 0.3f;
   vec3 ambient = lightColor * ambientStrength;
   finalColor = ambient * objColor;
}

Oświetlenie rozproszone:

Oświetlenie rozproszone jest nieco bardziej złożone niż otoczenie. Oświetlenie rozproszone jest światłem kierunkowym, co oznacza, że twarze zwrócone w stronę źródła światła będą lepiej oświetlone, a twarze skierowane w stronę przeciwną będą ciemniejsze ze względu na sposób, w jaki światło je uderza.

Uwaga: rozproszone oświetlenie będzie wymagało użycia normalnych dla każdej twarzy, której nie pokażę tutaj, jak obliczyć. Jeśli chcesz dowiedzieć się, jak to zrobić, sprawdź stronę matematyczną 3D.

Do modelowania odbicia światła w grafice komputerowej wykorzystuje się dwukierunkową funkcję dystrybucji odbicia (BRDF). BRDF to funkcja, która podaje zależność między światłem odbijanym wzdłuż kierunku wychodzącego a światłem padającym z kierunku przychodzącego.

Idealna powierzchnia rozproszona ma BRDF, który ma tę samą wartość dla wszystkich kierunków zdarzeń i wyjazdów. To znacznie zmniejsza obliczenia i dlatego jest powszechnie stosowane do modelowania powierzchni rozproszonych, ponieważ jest to fizycznie możliwe, nawet jeśli w prawdziwym świecie nie ma czystych materiałów rozproszonych. Ten BRDF nazywa się refleksją Lambertowską, ponieważ jest zgodny z prawem cosinusowym Lamberta.

Odbicie lambertowskie jest często stosowane jako model odbicia rozproszonego. Ta technika powoduje, że wszystkie zamknięte wielokąty (takie jak trójkąt w siatce 3D) odbijają światło równomiernie we wszystkich kierunkach podczas renderowania Współczynnik dyfuzji jest obliczany na podstawie kąta między wektorem normalnym a wektorem światła.

f_Lambertian = max( 0.0, dot( N, L )

gdzie N jest normalnym wektorem powierzchni, a L jest wektorem w kierunku źródła światła.

Jak to działa

Na ogół iloczyn skalarny 2 wektorów jest równa cosinusa kąta między 2 wektorów pomnożony przez wielkość (długość) obu wektorów.

dot( A, B ) == length( A ) * length( B ) * cos( angle_A_B ) 

Wynika z tego, że iloczyn punktowy 2 wektorów jednostkowych jest równy cosinus kąta między 2 wektorami, ponieważ długość wektora jednostkowego wynosi 1.

uA = normalize( A )
uB = normalize( B )
cos( angle_A_B ) == dot( uA, uB )

Jeśli spojrzymy na funkcję cos (x) między kątami -90 ° i 90 °, wówczas możemy zauważyć, że ma ona maksymalnie 1 pod kątem 0 ° i spada do 0 pod kątem 90 ° i -90 °.

Takie zachowanie jest dokładnie tym, czego chcemy dla modelu odbicia. Kiedy nromalny vetor powierzchni i kierunek do źródła światła są w tym samym kierunku (kąt między 0 °), to chcemy maksymalnego odbicia. Natomiast jeśli wektory są ortonormalizowane (kąt pomiędzy 90 °), to chcemy minimalnego odbicia i chcemy płynnego i ciągłego działania między dwiema granicami 0 ° i 90 °.

Jeśli światło jest obliczane dla wierzchołka, odbicie jest obliczane dla każdego rogu prymitywu. Pomiędzy prymitywami odbicia są interpolowane zgodnie ze współrzędnymi barycentrycznymi. Zobacz powstałe odbicia na kulistej powierzchni:

Ok, więc aby zacząć od naszego shadera fragmentów, potrzebujemy czterech danych wejściowych.

• Normalne wierzchołki (powinny być w buforze i określone przez wskaźniki atrybutów wierzchołków)
• Pozycja fragmentu (powinna być wyprowadzana z shadera wierzchołków do shadera fragów)
• Pozycja źródła światła (jednolita)
• Barwa światła (jednolita)

in vec3 normal;
in vec3 fragPos;
    
out vec3 finalColor;
    
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 objColor;

Wewnątrz głównego jest miejsce, w którym musimy zrobić matematykę. Cała koncepcja rozproszonego oświetlenia opiera się na kącie między normalnym a kierunkiem światła. Im większy kąt, tym mniej światła dochodzi do 90 °, gdzie nie ma światła.

Zanim zaczniemy obliczać ilość światła, potrzebujemy wektora kierunku światła. Można to odzyskać, po prostu odejmując pozycję światła od pozycji fragmentu, która zwraca wektor z pozycji światła wskazującej pozycję fragmentu.

vec3 lightDir = lightPos-fragPos;

Idź dalej i znormalizuj wektory normal i lightDir aby miały taką samą długość do pracy.

normal  = normalize(normal);
lightDir = normalize(lightDir);

Teraz, gdy mamy już nasze wektory, możemy obliczyć różnicę między nimi. W tym celu wykorzystamy funkcję iloczynu punktowego. Zasadniczo bierze to 2 wektory i zwraca cos () utworzonego kąta. Jest to idealne, ponieważ przy 90 stopniach da 0, a przy 0 stopniach da 1. W rezultacie, gdy światło skierowane jest bezpośrednio na obiekt, będzie w pełni oświetlone i odwrotnie.

float diff = dot(normal, lightDir);

Jest jeszcze jedna rzecz, którą musimy zrobić z obliczoną liczbą, musimy upewnić się, że jest ona zawsze dodatnia. Jeśli się nad tym zastanowić, liczba ujemna nie ma sensu w kontekście, ponieważ oznacza to, że światło znajduje się za twarzą. Możemy użyć instrukcji if lub możemy użyć funkcji max() która zwraca maksymalnie dwa dane wejściowe.

diff = max(diff, 0.0);

Po wykonaniu tej czynności jesteśmy teraz gotowi obliczyć ostateczny kolor wyjściowy dla fragmentu.

vec3 diffuse = diff * lightColor;
finalColor = diffuse * objColor;

To powinno wyglądać tak:

Oświetlenie lustrzane:

Pracuj w toku, sprawdź później.

Łączny

Prace w toku, sprawdź później.

Poniższy kod i zdjęcie pokazują te trzy koncepcje oświetlenia łącznie.