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  • [WebGL入门]二十四,补色着色

    注:文章译自http://wgld.org/,原作者杉本雅広(doxas),文章中假设有我的额外说明,我会加上[lufy:],另外,鄙人webgl研究还不够深入,一些专业词语,假设翻译有误,欢迎大家指正。



    本次的demo的执行结果

    着色方法

    上次介绍了反射光,反射光是实现光泽的必不可少的概念,到此为止,主要的光照效果都已经封装完成了。
    光照的效果主要就是扩散光,环境光和反射光三种方法,灵活运用这三种光照,应该就能实现非常逼真的照明效果了。
    前几篇一直在说光照,这次略微换个视点,看一下着色,着色是一个比較大的话题,这次讲一下高氏着色和补色着色。

    高氏着色(gouraud shading)

    高氏着色从名字上看,是比較难明确详细是什么样的着色的,这个高氏(gouraud)事实上是以研究该着色的Henri Gouraud来命名的。

    lufy:高氏着色又叫高洛德着色或高氏渲染(Gouraud Shading):这是一种光影渲染技术也是眼下较为流行的着色方法,它可对3D模型各顶点的颜色进行平滑、融合处理,将每一个多边形上的每一个点赋以一组色调值,同一时候将多边形着上较为顺滑的渐变色,使其外观具有更强烈的实时感和立体动感,只是其着色速度比平面着色慢得多可是效果要好得多。

    高氏着色能够对多边形的顶点之间的颜色进行补间,高氏着色的计算负荷并非太高,可是,能够实现非常美丽的渲染,所以常常被使用。

    对顶点间的颜色进行补间是什么意思呢?

    简单的说,用高氏着色计算得到的终于的颜色情报,适用于所有顶点,而且对顶点和顶点之间的颜色进行补间处理,最后渲染模型。

    使用高氏着色,想用少量的顶点渲染美丽的光照是非常难的。比方说,一个最简单的三角形多边形,三维空间中仅仅有这一个三角形,这个面就直接和光碰撞了。




    放射性光源的时候(比方说灯泡),应该是三角形的中心就最亮,而顶点的部分要略微暗一些,可是高氏着色仅仅是在顶点之间进行颜色补间,所以无法凸显三角形中间的亮点。
    另外,由于是依据每一个顶点进行颜色补间,颜色变化的时候会出现锯齿。这个锯齿随着顶点数的增多而逐渐消失,可是这么做的话,高氏着色计算负荷小的优势就没有了,所以这是个难处理的地方。

    细心的朋友可能会发现,这个站点中所有的demo,都是用的高氏着色。顶点着色器的光的强度和颜色的进行计算,然后仅仅是将终于算出的颜色传给了片段着色器,这样的依据每一个顶点来计算颜色的方法就是高氏着色。
    以下是证据,眼下为止的demo中的颜色之间会存在锯齿,会有一些不太自然的镜面反射。


    扩大之后看的话就比較清楚了吧,顶点数越少,这样的现象就越明显。

    补色着色(phong shading)


    理解了高氏着色之后,接着看补色着色。
    像刚才说的那样,相对高氏着色是对顶点之间的颜色进行补间处理,补色着色是对各个像素进行颜色的补间处理。也就是说,计算量会比高氏着色增大非常多,可是能够将渲染出颜色的细节。
    补色着色的名字跟高氏着色一样,都是以人名(Bui Tuong Phong)来命名的。使用补色着色的话,会克服高氏着色的弱点,即使顶点数少的时候也能得到非常自然的效果。

    由于补色着色是在像素之间对颜色进行补间,所以不会发生不自然的锯齿。以下是和高氏着色的渲染效果做比較。

    全然是同样的顶点数,同样的光源渲染出的补色着色和高氏着色。左边是补色着色,不管阴影还是高亮的部分,都非常的美丽和自然。

    补色着色的封装

    知道了高氏着色和补色着色两者之间的不同,那么就来看看补色着色的封装吧。补色着色就是刚才说的那样,在像素之间进行颜色的补间处理,那么眼下为止的在顶点着色器中进行的光照处理,所有要交给片段着色器。
    详细的说,追加一个处理,顶点着色器中的顶点的法线情报用varying变量传给片段着色器,然后其它的光照处理所有移到片段着色器中。
    首先看顶点着色器的代码。


    >顶点着色器的代码
    attribute vec3 position;
    attribute vec3 normal;
    attribute vec4 color;
    uniform   mat4 mvpMatrix;
    varying   vec3 vNormal;
    varying   vec4 vColor;
    
    
    void main(void){
        vNormal     = normal;
        vColor      = color;
        gl_Position = mvpMatrix * vec4(position, 1.0);
    }

    和眼下为止的代码不同,新定义了一个叫做vNormal的varying变量,用来将法线情报传给片段着色器。顶点的颜色情报和坐标变换矩阵等地方不用变。
    接着是片段着色器。


    >片段着色器代码
    precision mediump float;
    
    
    uniform mat4 invMatrix;
    uniform vec3 lightDirection;
    uniform vec3 eyeDirection;
    uniform vec4 ambientColor;
    varying vec3 vNormal;
    varying vec4 vColor;
    
    
    void main(void){
        vec3  invLight  = normalize(invMatrix * vec4(lightDirection, 0.0)).xyz;
        vec3  invEye    = normalize(invMatrix * vec4(eyeDirection, 0.0)).xyz;
        vec3  halfLE    = normalize(invLight + invEye);
        float diffuse   = clamp(dot(vNormal, invLight), 0.0, 1.0);
        float specular  = pow(clamp(dot(vNormal, halfLE), 0.0, 1.0), 50.0);
        vec4  destColor = vColor * vec4(vec3(diffuse), 1.0) + vec4(vec3(specular), 1.0) + ambientColor;
        gl_FragColor    = destColor;
    }

    逆矩阵,光向量,视线向量等一直以来都在顶点着色器中使用的数据,全都移动到片段着色器中来了。另外,利用刚才在顶点着色器中定义的varying变量vNormal进行了计算。计算的方法和曾经一样,没有不论什么改变。就是说,仅仅是把顶点着色器中的处理,放到了片段着色器中而已。
    这次的变化,并没有加入新的uniform变量,也就是说,javascript部分基本上不用变。
    简单的来说,高氏着色和补色着色的主要差别就在于,依据顶点处理还是依据像素处理,尽管这么说跟定义相比有些奇怪,可是这么理解的话也没什么错。


    总结

    这一次分别说了高氏着色和补色着色两种着色,高氏着色的长处是计算量比較低,而和补色着色相比的话,渲染效果不太自然。
    补色着色正好相反,计算量非常高,可是渲染效果非常完美。
    究竟选择那种方法,取决于模型的顶点数和须要的渲染效果,以及执行环境能够承受的计算负荷。
    实际应用中,依据利用的场景和描画的模型,分别使用不同的方法是非常重要的。
    这次也准备了demo,急着看执行效果的人能够点击文章最后的链接来測试。

    另外,补充一点,这次的demo中对圆环体的生成函数做了几处改动,返回值是以对象的形势返回的,能够指定圆环体的颜色了。事实上,也并没有做什么其它特别的处理。


    下次,介绍一下电光源。

    用补色着色来渲染的圆环体

    http://wgld.org/s/sample_012/


    转载请注明:转自lufy_legend的博客http://blog.csdn.net/lufy_legend

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