技术美术成长之路——Games101图形学篇（三）、着色及 ...

jquave · 发表于 2022-7-29 15:55

本文参考Games101课程，文章链接：
如果想要系统从头看的话，文章汇总如下：有问题欢迎留言！
回顾我们已经学到的东西：

其实我们现在能把模型很好的摆放好，然后投影出来，映射到屏幕上，但是再着色的时候，好像我们的一个个像素都还是一些简单的颜色，都是一些手动RGB输入的颜色，所以在这方面上我们还差点东西，也就是我们接下来的主要任务。

对比之后，上边纯色的视觉效果的真实度上并不如下面，这种不同角度看每个面的时候，颜色是有差异的。

其实核心就是着色技术——shading。
其实就是对于物体上有不同材质，材质和光照之间来作用得到最终的效果，这其实就是着色。
Blinn-Phong 着色模型

从图上来看可以把物体上的点分成三类：一个是没有光的，按理来说这个本该是黑色的，它能够亮，是因为Ambient lighting，环境光，是一种间接光，多次反射后接收到的光，这个光很复杂，但是效果上可以简化，不同点收到的这种光都差不多，可以认为恒定值。
还有一个你从任何角度来看都是一样的颜色，他也像第三种那么亮。这种就是漫反射的部分，Diffuse reflection，各个角度都是一样的效果，漫反射。
对于那些非常亮的高光部分，就是因为材质上更加接近镜子，产生的镜面反射，这个就是特定的角度上来看才会显示出高亮的效果。
那么我们怎么模拟这一效果呢？

对于输入：我们需要知道法线，光源，观察方向，以及此处表面本身的颜色，还有他的shininess，这个可以认为是光滑程度反光程度相关的一个量。
这里说的shading is local的意思：就是我们shading计算显示的颜色，就只是针对这个点进行计算，不管其他的像素给这一点的影响，只考虑该点以及光和视线再该点的情况。不考虑其他影响，就比如，不考虑阴影，不考虑别的地方的阴影是否投影到了该点上。

另外这里光照的方向会影响最终的亮度：

考虑周围一个单位面积接收到的能量。夏天和冬天冷暖的区别，就是夹角的变化，单位面积接收到的能量不一样。
这里的接收到的能量具体是多少呢？就是和光照法线夹角余弦成正比。这是关于接受光。
下面来说发射光：

有一个点光源，他是不停的向外发射能量的，那么在某一时刻发出的那一份能量，由于各个角度平均发射，所以我们可以看作是一个球形发射出去。而我们把观察对象放在这个球上，随着时间的推移，光线往外传播，也就是球不断在扩大。
但是由于能量守恒，我们那一刻发射出去的能量，总数是不变的。所以考虑到一个点上的能量就会变小，也就是intensity会变小，假设我们在半径为1的球上，intensity为I，而到了半径为r的球上，intensity就是I/r^2.(用面积公式进行推导就行了，这里说点有点不太恰当，单位面积更好理解。)
那么我们对于点光源，我们能够知道有多少光传到了某一个shading point上，同时还知道有多少光被他吸收，从而就能算出关于diffuse的表示：

这里的I表示点光源出来的能量总能量，然后到达shading point之后的是需要除以r^2，然后由于到达的时候时有倾角的，所以不是完全到达，需要打折扣，也就是这里乘以一个余弦。
那么我们考虑物体的颜色是怎么来的，其实是白光到达物体表面，他会吸收除了他本身颜色以外的光，那么剩下的它本身颜色的光不被吸收，就给反射出去了，所以呈现出的颜色就是它本身的颜色。
那么这里我们也是可以模拟这一点的，从能量角度来说上边这一点，就是发射过来到达我这一点有很多能量，但是我只吸收其中的一部分。那么我们就可以在我们刚刚的基础上再乘以一个系数Kd，表示最终吸收的能量。
而实际情况的吸收具有选择性，也就是吸收特定的光，发射特定颜色的光。这一点我们怎么处理？其实就可以把Kd系数给改成一个向量，变成具有rgb分量的一个颜色，那这样就可以实现选择了。
所以从能量的角度先进行模拟，然后得到带有系数的形式，然后再根据光照射过程的颜色效果，进行对系数改造成一个向量，就得到了最终的表达式。（其实这也是为啥之前老有说diffuse系数就是颜色，终于明白了。）
补充一下，这里由于各个方向都反射出去，那么最前面是否需要一个系数呢？按理说是的，但是这个模型本身就是一个近似，所以就没有了。
这里是漫反射，各个方向都是一样的结果，得到的都是一样的强度，一样的颜色。

上边都是漫反射的部分，下面我们来加入高光的计算！
首先怎么去定义什么时候才会产生高光。其实就是反射方向接近镜面反射，也就是对于一些非常光滑的表面发生的反射。
这里说的反射方向接近镜面反射，可以对比漫反射的来进行理解。我们说漫反射反射的角度是各个方向的，而这里只是集中在一小片区域，所以他能量更集中，更强，显示出高光。
集中在哪一小片区域呢？就是先作为镜面反射算出反射光线，就是集中在反射光线附近。那么意味着我们只有在反射光线附近观察的时候，才会看到高光。

也就是其中的v和R方向接近的时候。其实针对这一点判断v和R的接近程度来衡量光照强度就是phong模型，而bliin-phong有啥升级呢？

就是我们刚刚用来衡量高光强度的v和r接近程度，他和另外一个接近程度是正比的，就是上图中的n和h的接近程度。h是啥呢？就是v和I的角平分线，叫做半程向量。
半程向量和法线之间的夹角其实就是v和r之间角度的一半，怎么理解？看两个角，i和v形成的角，i和r形成的角，他俩角的差值是v和r夹角β。而i和v形成的角，i和r形成的角，各取一半就是i和h，i和n，那么这俩之间的夹角就是β的一半，也就是α。而这里为啥说是升级呢？其实就是因为在计算上，半程向量非常容易，俩向量相加规范化就行了。
但是如果想要算反射方向r，计算量会很大！
所以看上边的公式，对于I/r^2，还是用来表示到达这里的光，然后用夹角余弦来衡量强弱，同时类似的，我们的系数也会是一个颜色，而对于高光，经常考虑是白色的，所以镜面反射系数Ks一般考虑为白色。
注意你会发现这里并没有考虑多少能量照射到了表面，只是除以r^2，表示这个距离处的能量，但是具体到达表面多少是和照射的倾角有关的，也就是那个Lambert余弦。
这确实是需要的，但是没有写还是因为她只是一个经验模型，进行了简化，主要关注高光的部分。另外你会发现这里有一个指数p在这里，其实在之前软光栅也接触过这种指数，目的是为了放大差异性。就是降低容忍度！

我们按照上图，如果直接用余弦，那么都45度了，还有一个明显的高光存在，这就不合理了。范围应该是非常集中的。所以加上指数可以解决这个问题。
正常情况下，会把次数放到100~200.

下面是漫反射和高光共同作用的情况，同时对Ks和P进行一个变化的效果。
接下来是环境光项：

因为环境光本身很复杂，所以简化为任何一个点都一样，都是Ia的强度。然后给他配上系数，这里就搞成颜色。这里La不受入射反射观察等等的影响，是一个常数。
那么他其实就是一个常数的颜色，也就保证了任何一个物体都具有一个常数颜色，让场景中物体都有这么一个基础的颜色亮度，不是纯黑的。这个颜色会很平。

第一个颜色很平，第二个和光照角度有关系有明暗，第三个就是突出一些部分亮度。
最后三个加起来之后的结果，就是blinn phong模型的最终结果了。
着色模型，我们考虑的是一个shading point的研究，那么下一步就是我们要对所有的点都考虑一遍，整个模型场景就完成了着色。
就是我们一直没考虑物体和观察点之间的距离对结果的影响，其实这个是没有影响的，这个以后解释，先作为结论。
接下来说的是着色频率。

注意这仨图是完全一样的几何表示，也就是模型是一样的。从边界可以看出来。但是着色之后的结果为啥不同呢？其实就是和要说的着色频率有关系，也就是把shading应用到谁身上，也就是选谁作为shading point。
第一个就是一个平面做一次shading，算三角形的法线。第二个就是每个平面的顶点进行shading，而内部的像素，通过插值得到最终的颜色。最后一个就是针对每一个像素有自己的一次shading，计算顶点法线，通过插值计算像素的法线。
所以：平面——顶点——像素。他仨有自己的名字：

通过两边叉积求平面法线。

这个算顶点的法线，然后对顶点shading，得到顶点颜色，最后进行像素颜色插值。

这里区分Phong着色模型，而这里的Phong是一种着色频率。

其实这个针对效果并没有绝对谁好，她一定程度上取决于模型，当模型三角形非常小，模型足够复杂时，这时候就不一定了。
我们现在有俩问题，就是顶点的法线。
针对一些特殊的你知道模型表示的是啥，比如球，那么顶点法线肯定是过圆心的，但是这种情况并不常见。多数的情况怎么来求呢？

就是拿面的法线来做一个平均。针对直接求平均可能有点草率，考虑一些很大的三角形和一些小三角形共用的时候，大三角形贡献可能更多一些，更有决定性的。
所以可以进行一个加权平均，权可以根据面积来确定。
对于逐像素着色的，我们要获取逐像素的法线，也就是通过插值来获得，这里是用重心坐标来进行插值。

其实到现在，我们已经把着色模型介绍了，然后拿着着色模型怎么使用，关于着色频率相关的也都说了，也就是说，我们从最开始的模型三角形，现在已经能够得到完整的图像了。
那么把我们从头到尾所有的东西放在一块就是图形管线了，这也叫实时渲染管线。

这里注意一下，我们在刚开始，只是对顶点进行一个投影，然后投影之后再进行三角形的建立。其实这就是索引的做法，好处体现，就是我们只需要对顶点进行变换，变换完成之后我们在进行三角形的构建，这样绝对不会出现重复操作顶点，而如果以三角形来进行投影，那么就会出现顶点的重复投影。

这里注意，shading在顶点和像素过程中都有涉及，这是因为考虑到不同的着色频率。比如对于每一个顶点进行着色的操作，这时候就是着色发生在顶点上。
而Phong shading这种就是像素着色中进行了，你得先栅格化成像素才ok啊。
那么最主要的就是针对像素和顶点是怎么着色的，所以现在对于现在GPU的管线中，这俩是完全可编程的。而变成的东西就是shader，控制顶点和像素是如何进行着色的。

写Shader，其实是能够在硬件上执行的语言，每一个像素都会去跑一遍像素shade的程序，顶点同理。
上边给出了一个像素着色的示例，作用是给出我们一个颜色。
其实到此，整个成像过程，实时渲染，到此都已经涵盖到了。现在这个基础上就可以去学习一些图形API了，去写一些真正的实时渲染的代码了。
这里推荐了一个shadertoy，就是只关心shader，免去了其他的部分。
这个例子是用几何形体来定义的，几何形体形体是通过数学的方式来描述的，隐式几何形体，并没有用任何的三角形。所有几何形体都是数学方法定义的。

shader，很牛逼，千变万化。
自己可以没事去shadertoy，写一些shader。

随着GPU硬件发展，高度并行（比如很多像素同时着色操作）快速处理。所以目标就是超复杂的场景的实时玩法。

硬件发展，GPU的可编程shader等等的。计算着色器，她可进行任何形式的计算，不一定是图形学内部的计算，通用的计算。叫general purpose GPU，即GPGPU。

GPU是一个高度并行化的处理器，cpu的有48核，64核，核心的数量也就是并行线程的数量。而GPU的核心很多，超级多，但是他每个计算力比较弱，所以非常适合图形方面的计算。
至此，基本上关于图形管线和着色的内容就完了。
下一篇再见，大家加油~~

Ilingis · 发表于 2022-7-29 15:58

nb，你这看的够勤快的

zt3ff3n · 发表于 2022-7-29 16:08

哈哈，一起加油啊~

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