局部着色模型(Local Shading Models)

局部着色模型的特点

• 捕捉直接来自光源的照明(Direct illumination from light sources)
• 包括漫反射(Diffuse)和镜面反射(Specular)【高光】分量
• 对全局光照(Global lighting)进行非常近似的模拟
• 不能处理阴影(Shadows)、镜子(Mirrors)和折射(Refraction)

渲染的一般过程

• 表面要么自发光(如灯泡)，要么反射其他光源的光，或者两者兼而有之
• 光与材质的交互是一个递归过程
• 渲染方程(Rendering Equation)是一个描述这个递归过程极限的积分方程

标准光照模型("Standard" Lighting Model)

由三个线性组合的项组成:

• 漫反射分量(Diffuse component): 表示均匀向各个方向反射的入射光量
• 镜面反射分量(Specular component): 表示以类似镜子方式反射的光量
• 环境项(Ambient term): 近似模拟通过其他表面到达的光

漫反射照明(Diffuse Illumination)

• 从方向$\vec{L}$入射的光 $I_i$ 被均匀地向所有方向反射，与视角方向无关
• 反射光量取决于:
  • 表面相对于光源的角度(实际上决定了表面收集并反射的光量)
  • 表面的漫反射系数(Diffuse reflectance coefficient) $k_d$
• 背面不被照亮，使用 $\max(0, \vec{N} \cdot \vec{L})$
• 漫反射光强:

Note：

• $I_d$: 最终Diffuse Illumination的强度
• $k_d$: 该表面的漫反射系数(Diffuse reflectance coefficient)
• $I_i$: 入射光源的强度
• $\vec{N}$: 该采样点的表面法向量
• $\vec{L}$: 入射光的方向
• $\max(0, \vec{N} \cdot \vec{L})$: 对结果做一个“补正”。即与光向夹角小于90度的采样点将乘以0的系数。即“背面不被照亮”。

镜面反射 - 冯氏模型(Phong Model)

经验模型

• 入射光主要沿镜面方向$\vec{R}$反射
  • 感知强度取决于视角方向$\vec{V}$和镜面方向的关系
  • 亮斑称为"镜面反射光"
• 强度由以下因素控制:
  • 镜面反射系数(Specular reflectance coefficient) $k_s$
  • 参数$n$控制镜面反射光的表观尺寸，$n$越大，高光越小
• 镜面反射光强:

Note:

• $I_s$: 最终的Specular光强
• $k_s$: 镜面反射系数(Specular reflectance coefficient)
• $I_i$: 入射光源的强度
• $\vec{R}$: 反射光的方向(通过法向量与入射方向计算得)
• $\vec{V}$: 观察方向

冯氏反射模型的加速

为了提高计算效率，可以使用基于法向量$\vec{N}$和"半程向量"(halfway vector)$\vec{H}$的优化方法：

• 基于法向量$\vec{N}$和"半程向量"(halfway vector)$\vec{H}$计算
  • 比镜面方向更容易计算，结果相同
  • $\vec{H} = (\vec{L} + \vec{V}) / 2$
• 镜面反射光强(优化版):

完整的光照模型

• 全局环境光强度(Global ambient intensity) $I_a$:
  • 对所有其他表面反弹光线的粗略近似
  • 由环境反射系数(Ambient reflectance) $k_a$ 调制
• 将所有项相加:

• 如果有多个光源，则将每个光源的贡献相加
• 有几种变体和近似方法

颜色处理

• 对三个颜色分量(红、绿、蓝)分别进行计算
• 注意某些项(计算量大的)是常数
• 这是一种近似，原因不作详述
  • 颜色空间中的混叠(Aliasing)现象
  • 使用9个颜色样本会得到更好的结果
• 对于红色分量:

为加速进行的近似

• 视角方向$\vec{V}$和光照方向$\vec{L}$取决于所考虑的表面位置$\vec{x}$
• 远距离光源近似(Distant light approximation):
  • 假设对所有$\vec{x}$，$\vec{L}$都是常数
  • 如果光源很远(如太阳)，这是一个很好的近似
• 远距离观察者近似(Distant viewer approximation)
  • 假设对所有$\vec{x}$，$\vec{V}$都是常数
  • 很少成立，但只影响镜面反射光

OpenGL光照模型

• 允许自发光$E$: 表面发出的光
• 允许漫反射和镜面反射使用不同的光强
• 环境光可以与光源相关联
• 允许聚光灯，其强度取决于出射光方向
• 允许光强随距离衰减
• 可以以多种方式指定系数

着色插值(Shading Interpolation)

• 讨论的模型给出了单个点的光强
  • 对每个显示点计算这些模型的计算量很大
  • 并非每个点都明确给出法线
• 几种选择:
  • 平面着色(Flat shading)
  • Gouraud插值
  • Phong插值
• 新的硬件支持可编程的逐像素着色!!

平面着色(Flat shading)

• 在代表点计算着色，并应用于整个多边形
  • OpenGL使用顶点之一
• 优点:
  • 速度快 - 每个多边形只需一个着色值
• 缺点:
  • 不精确
  • 多边形边界处不连续

Gouraud着色

• 使用每个顶点自己的位置和法线对其进行着色
• 在面上进行线性插值
• 优点:
  • 快速 - 光栅化时增量计算
  • 更加平滑 - 对共享顶点使用同一法线以在面之间获得连续性
• 缺点:
  • 镜面反射光可能丢失

Phong插值

• 在面上插值法线
• 对每个像素进行着色
• 优点:
  • 高质量，窄镜面反射光
• 缺点:
  • 计算量大
  • 对大多数表面仍然是一种近似
• 不要与Phong的镜面反射模型混淆

着色与OpenGL

• OpenGL定义了两种特定的着色模型
  • 控制如何将颜色分配给像素
  • glShadeModel(GL_SMOOTH) 在顶点之间插值颜色(默认)
  • glShadeModel(GL_FLAT) 在多边形上使用恒定颜色

OpenGL命令

材质设置

• glMaterial{if}(face, parameter, value)
  • 更改面的正面或背面(或两面)的一个材质参数，如环境光(GL_AMBIENT)、漫反射(GL_DIFFUSE)、镜面反射(GL_SPECULAR)系数等
  • face可以是GL_FRONT、GL_BACK或GL_FRONT_AND_BACK
  • {if}表示参数类型，可以是f(float)或i(integer)

光源设置

• glLight{if}(light, property, value)
  • 更改光源的一个属性，如环境光(GL_AMBIENT)、漫反射(GL_DIFFUSE)、镜面反射(GL_SPECULAR)强度，位置(GL_POSITION)，方向(GL_SPOT_DIRECTION)等
  • 有8个光源: GL_LIGHT0, GL_LIGHT1, ..., GL_LIGHT7
  • {if}表示参数类型，可以是f(float)或i(integer)
• glLightModel{if}(property, value)
  • 更改一个全局光照模型属性，如全局环境光(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT)，双面光照(GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE)等
  • {if}表示参数类型，可以是f(float)或i(integer)
• glEnable(GL_LIGHTi) 启用第i个光源，i为0到7

颜色材质

• glColorMaterial(face, mode)
  • 使指定的材质属性(如GL_AMBIENT、GL_DIFFUSE、GL_SPECULAR等)跟踪当前的glColor()设置
  • 可以加速渲染并简化编码
  • face可以是GL_FRONT、GL_BACK或GL_FRONT_AND_BACK

其他设置和注意事项

• glEnable(GL_LIGHTING) 打开光照，glDisable(GL_LIGHTING) 关闭光照
• 如非必要，不要使用镜面反射
  • 计算量大，可将光源的镜面反射颜色设为(0,0,0)以关闭
• 在使用光照时，不要忘记设置法线，可使用glNormal3{bsidf}()函数
• 还有许多其他控制材质和光照的函数，如glLightModeli()、glMaterialf()等
• 合理设置光照和材质参数对提高场景真实感和渲染性能很重要
• 可以使用glGetLight*(), glGetMaterial*()等函数查询当前光照和材质状态