Показать меню

Затенение по Фонгу

07.12.2020
25

Затенение по Фонгу — модель расчёта освещения трёхмерных объектов, в том числе полигональных моделей и примитивов, а также метод интерполяции освещения по всему объекту.

Гладкое затенение

Модели обычно задаются набором плоских выпуклых граней, хотя большинство реальных трёхмерных предметов имеют гладкие криволинейные поверхности. Таким образом, криволинейная поверхность рисуется как ребристая полигональная сетка; для того, чтобы эта сетка выглядела гладкой, используется тот или иной метод интерполяции освещённости вершин полигональной сетки.

Если используется затенение по Гуро, то расчёт цвета производится в каждой вершине каждой грани, а затем рассчитанный цвет интерполируется по всей грани. В результате блики, которые должны проявиться в середине полигона, нарисованы не будут — при интерполяции цветов вершин более яркое освещение центра многоугольника невозможно.

При затенении по Фонгу интерполируется вектор нормали. Для нахождения вектора нормали в произвольной точке поверхности используют нормированную взвешенную сумму векторов нормали граней, которым эта точка принадлежит:

n = a 1 n 1 + . . . + a k n k ‖ a 1 n 1 + . . . + a k n k ‖ {displaystyle n={frac {a_{1}n_{1}+...+a_{k}n_{k}}{leftVert a_{1}n_{1}+...+a_{k}n_{k} ight|}}}

Вычислительные затраты на затенение по Гуро или по Фонгу зависят соответственно от числа вершин и от числа фрагментов изображения. Современное графическое оборудование использует второй способ, вычисляя цвет каждого фрагмента (т.е. пикселя), а не каждой вершины.

Модель освещения

Освещение по Фонгу включает в себя также и модель освещения Фонга, т.е. алгоритм расчёта освещения в заданной точке. Это локальная модель освещения, т.е. она учитывает только свойства заданной точки и источников освещения, игнорируя эффекты рассеивания, линзирования, отражения от соседних тел.

Затенение по Фонгу требует сравнительно мало ресурсов, но большинство оптических явлений игнорируются либо рассчитываются с грубым приближением.

Другие модели освещения могут лучше учитывать свойства материала (локальные модели Орена-Наяра, Кука-Торренса, анизотропные модели) или сложные оптические явления (глобальные модели), но ведут к росту накладных расходов.

Способ расчёта освещения

Расчёт освещения по Фонгу требует вычисления цветовой интенсивности трёх компонент освещения: фоновой (ambient), рассеянной (diffuse) и глянцевых бликов (specular). Фоновая компонента — грубое приближение лучей света, рассеянных соседними объектами и затем достигших заданной точки; остальные две компоненты имитируют рассеивание и отражение прямого излучения.

I = K a I a + K d ( n → , l → ) + K s ( n → , h → ) p {displaystyle I=K_{a}I_{a}+K_{d}({vec {n}},{vec {l}})+K_{s}({vec {n}},{vec {h}})^{p}}

где

n → {displaystyle {vec {n}}} — вектор нормали к поверхности в точке

l → {displaystyle {vec {l}}} — падающий луч (направление на источник света)

h → {displaystyle {vec {h}}} — отраженный луч (направление идеально отраженного от поверхности луча)

h → = 2 ( l → ∗ n → ) n → − l → {displaystyle {vec {h}}=2({vec {l}}*{vec {n}}){vec {n}}-{vec {l}}}

K a {displaystyle K_{a}} — коэффициент фонового освещения

K s {displaystyle K_{s}} — коэффициент зеркального освещения

K d {displaystyle K_{d}} — коэффициент диффузного освещения


Освещение в OpenGL

В конвейере OpenGL цветовая интенсивность фрагмента рассчитывается для каждого источника света в отдельности, затем результаты складываются и добавляется свет, излучаемый телом (GL_EMISSION).

Алгоритм расчёта освещения по Фонгу можно проиллюстрировать с помощью следующих шейдеров:

Вершинный шейдер

1 varying vec3 n; 2 varying vec3 v; 3 4 void main(void) 5 { 6 v = vec3(gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex); 7 n = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal); 8 gl_Position = ftransform(); 9 }

Фрагментный шейдер

1 varying vec3 n; 2 varying vec3 v; 3 4 void main(void) 5 { 6 vec4 result = vec4(0.0); 7 for (int li = 0; li < gl_MaxLights; ++li) 8 { 9 vec3 viewPos = gl_LightSource[li].position.w * v; 10 vec3 l = normalize(gl_LightSource[li].position.xyz - viewPos); 11 vec3 e = normalize(-v); 12 vec3 r = normalize(-reflect(l, n)); 13 14 vec4 Iamb = gl_FrontLightProduct[li].ambient; 15 16 vec4 Idiff = gl_FrontLightProduct[li].diffuse * max(dot(n, l), 0.0); 17 Idiff = clamp(Idiff, 0.0, 1.0); 18 19 vec4 Ispec = gl_FrontLightProduct[li].specular 20 * pow(max(dot(r, e), 0.0), 21 gl_FrontMaterial.shininess); 22 Ispec = clamp(Ispec, 0.0, 1.0); 23 24 result += Iamb + Idiff + Ispec; 25 } 26 27 gl_FragColor = gl_FrontLightModelProduct.sceneColor + result; 28 }

Где величина

gl_FrontLightModelProduct.sceneColor

эквивалентна выражению

gl_FrontMaterial.emission + gl_FrontMaterial.ambient * gl_LightModel.ambient
Еще по этой теме:
Коэффициент сетчатости
05:44, 05 декабрь
Коэффициент сетчатости
Коэффициент сетчатости — инвариант планарных графов, измеряющий число ограниченных граней графа по отношению к возможному числу граней других планарных графов с тем же числом вершин. Коэффициент
Представление в виде функциональной поверхности (часть 1)
14:15, 13 март
Представление в виде функциональной поверхности (часть 1)
Как было сказано выше, изменение свойства в пространстве можно представить в виде так называемой функциональной поверхности - массива данных с координатами х, у, определяющими местоположение точки
Представление в виде функциональной поверхности (часть 2)
14:15, 13 март
Представление в виде функциональной поверхности (часть 2)
Различные методы интерполяции почти всегда будут давать различные результаты. Все методы интерполяции можно разбить на два класса: точные интерполяторы и сглаживающие интерполяторы. Некоторые
Метод треугольной нерегулярной сети
14:15, 13 март
Метод треугольной нерегулярной сети
Детерминистские методы могут быть разделены на две группы: глобальные и локальные. Глобальные методы при описании поверхности используют весь набор данных, локальные методы используют опорные точки,
Метод обратных взвешенных расстояний и радиальных базисных функций
14:15, 13 март
Метод обратных взвешенных расстояний и радиальных базисных функций
Примером детерминистских методов является также метод обратных взвешенных расстояний (IDW). Метод не позволяет выявить структуру варьирования признака, но может служить для точной интерполяции. В
Интерполяция данных методом кригинга (Kriging)
14:14, 13 март
Интерполяция данных методом кригинга (Kriging)
Группа методов интерполяции, в основе которых лежит использование семивариограммы, объединена под общим названием кригинг по имени одного из авторов этого метода - Д.Г. Крига. Эти методы описаны в
Комментарии:
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent