GAMES101回顾 -- Shading

Shading

定义：将材质作用于对象的流程

Z-Buffer

1. 帧缓存（Frame Buffer）
   Frame Buffer是一个用于存储图像像素数据的内存区域。它通常由一个二维数组表示，每个元素对应屏幕上的一个像素。Frame Buffer中的每个像素可以存储颜色信息（如红、绿、蓝三个分量）或其他图像属性。在渲染过程中，图形管线将计算得到的像素颜色值写入Frame Buffer中的相应位置，最终显示在屏幕上。

2. 深度缓存（Depth Buffer）
   Depth Buffer是一个用于存储每个像素的深度值（或称为Z值）的缓冲区。深度值表示像素在场景中的距离或深度信息。在渲染过程中，深度值可以用于判断像素的可见性和遮挡关系。当多个物体重叠时，深度测试可以根据像素的深度值决定是否更新Frame Buffer中的像素颜色。

3. 深度测试
   深度测试是通过比较像素的深度值和Depth Buffer中对应位置的深度值进行的。如果像素的深度值比Depth Buffer中的值更小（或更接近相机），则更新Frame Buffer中的像素颜色，并更新Depth Buffer中的深度值。否则，像素被认为是被遮挡的，不进行更新。

Frame Buffer和Depth Buffer在渲染过程中起着重要的作用。它们可以帮助确定像素的可见性、处理遮挡关系，并最终生成最终的图像。深度缓冲技术可以提高渲染效率和真实感，特别是在处理复杂的三维场景时。

着色模型

Lambertian (Diffuse) Shading

1. 输入参数

• Viewer direction, v
• Surface normal, n
• Light direction, l (for each of many lights)
• Surface parameters (color, shininess, …)

1. 光照衰减
   某点光强：I/r^2
   

3.漫反射着色

Ld = kd * (I / r^2) * max(0, n*l) = 漫反射系数 *

Phong Shading

经典的光照模型，计算每个像素的漫反射、镜面反射和环境光照分量来确定像素的颜色。Phong Shading的计算过程如下：

1. 计算漫反射分量
   漫反射分量表示了光线在物体表面上的散射程度，与光线入射角度和表面法线的夹角有关，对于每个像素，根据其表面法线和光源的方向。

2. 计算镜面反射分量
   表示光线在物体表面上的反射程度。镜面反射分量的计算涉及到光线的反射方向、观察者的方向和物体表面的光滑程度。

3. 添加环境光照分量
   指物体表面接收到的来自周围环境的光线。环境光照分量通常是一个常量或者通过全局光照模型计算得到的。

4. 将漫反射、镜面反射和环境光照分量相加，得到最终的像素颜色。
   

Blinn-Phong Shading

在Phong Shading的基础上进行了改进。

• 通过半程向量进行计算
• 指数p控制高光范围
  镜面反射计算：
  
  整体光照计算（对每个像素做同样的计算）：
  

着色频率

• Flag shading：对面着色
• Gouraud shading：在三角形的顶点处计算颜色，然后通过插值的方式将这些颜色值在三角形内部进行平滑过渡。每个顶点指定一个颜色值。这些颜色值可以通过光照计算、纹理映射或其他方式得到。接下来，在三角形的内部，通过插值的方式计算每个像素的颜色值。
• Phong shading：逐像素着色

顶点个数、着色方法、着色频率关系如下图：

实时渲染管线

1. 顶点输入（Vertex Input）：

• 从应用程序中获取顶点数据，包括顶点的位置、法线、纹理坐标等信息。

1. 顶点处理（Vertex Processing）：

• 对每个顶点进行变换操作，将其从模型空间转换到世界空间、相机空间和投影空间。
• 进行光照计算，计算顶点的颜色或光照强度。

1. 图元装配（Primitive Assembly）：

• 将顶点组装成图元，如点、线、三角形等。

1. 光栅化（Rasterization）：

• 将图元转化为屏幕上的像素。
• 根据图元的形状和位置，在屏幕上生成对应的像素片段。

1. 片段处理（Fragment Processing）：

• 对每个像素片段进行插值和纹理映射，获取片段的颜色和纹理坐标。
• 进行光照计算，计算片段的最终颜色。

1. 像素操作（Pixel Operations）：

• 执行深度测试等操作
• 最终将像素颜色写入帧缓冲（Frame Buffer）。

1. 输出合成（Output Merger）：

• 将帧缓冲中的像素数据输出到显示设备，生成最终的图像。

纹理映射

• 3D空间对应的2D平面点
  
• 为每个三角形顶点指定一个纹理坐标（u，v）
  

重心坐标

• 重心坐标计算
  给定三角形的三点坐标A,B,C，该平面内一点(x,y)可以写成这三点坐标的线性组合形式。α+β+γ=1，则对应（x，y）为重心坐标。
  

• 应用
  用于插值，根据三个顶点A,B,C的属性插值出点的属性，位置，颜色，深度，法线向量等等；判断点受否在三角形内。

纹理抗锯齿

• MIPMAP技术
  通过预先生成一系列不同尺寸的纹理贴图，根据物体的距离和尺寸选择合适的MIPMAP级别进行采样，从而减少对原始纹理贴图的采样次数。

纹理的应用

• 环境光
  

• 凹凸纹理