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GAMES101(7~8节，着色，插值，渲染流水线）

news 2025/5/18 13:11:01

Shading着色

冯氏光照 / Blinn-Phong着色模型：

环境光（常量）：颜色 * 强度

法线n，观测方向v，光照方向I，反射光线R，半程向量H（V和I的角平分线）光泽度shininess，自身颜色color

漫反射

两个性质：

能量守恒（决定到达的能量）：

光的传播过程中，总能量保持不变，反射的能量不能超过入射的能量
入射光的能量等于反射光和折射光的总能量

余弦定理（决定接受的能量）：I与n夹角越大，物体表面接受的光照总量越小，即点乘结果

镜面反射

漫反射：kd为本身的颜色 * 到达能量 * 吸收的比率

R和V夹角越近，颜色强度越大，等价于，H和n的夹角

指数P

半程向量 = I + V / || I + V || 归一化（仅方向）

指数p：比如没有指数，在比如45的角度下看平面，会看到比较大的高光区域，因为cos值仍比较大，因为对于很多点都有比较亮的高光

镜面：ks为高光的颜色（通常为白色） * 到达能量 * 看到高光的比率，指数p（通常为100~200）

插值

问题：即使只为平面传入了4个顶点，片段着色器依然能够正确地为整个平面的每个像素（片段）计算光照和颜色？

这是因为进行了线性插值：已知数据点之间估算中间数据值的过程，插值的目的是通过已知顶点的属性，计算出多边形内部任意位置的属性值。

插值的不同类型

线性插值：这是最常见的方式。在顶点之间进行线性插值，得到内部片段的属性。它根据片段距离每个顶点的比例来插值数据。
重心插值：这是光栅化过程中使用的一种特殊插值方法。重心插值通过三角形的重心坐标（barycentric coordinates），根据片段相对于每个顶点的重心坐标
透视校正插值：在3D场景中，由于透视投影的存在，单纯的线性插值可能导致错误的结果。因此，OpenGL会使用透视校正插值，确保在透视投影下的正确性。

理解框架中插值：

l这篇计算插值的方式讲的很清楚可以看到，对于普通的线性插值，和权重有关，

对于例如三角形内部重心插值，和三角形面积有关

注意如何求每个三角形面积，根据叉乘，首先求出平行四边形面积（两个向量叉乘的结果） / 2= 三角形面积

如下computeBarycentric2D函数计算点（x，y）在三角形被3个顶点v0v1v2，影响的权重比（对应3个三角形面积 / 总面积），也就是求出3个面积 / 总面积即可

最后利用abg的3个权重值，计算采样点的z深度值

//计算坐标在三角形的重心坐标
static std::tuple<float, float, float> computeBarycentric2D(float x, float y, const Vector3f* v)
{float c1 = (x*(v[1].y() - v[2].y()) + (v[2].x() - v[1].x())*y + v[1].x()*v[2].y() - v[2].x()*v[1].y()) /(v[0].x()*(v[1].y() - v[2].y()) + (v[2].x() - v[1].x())*v[0].y() + v[1].x()*v[2].y() - v[2].x()*v[1].y());float c2 = (x*(v[2].y() - v[0].y()) + (v[0].x() - v[2].x())*y + v[2].x()*v[0].y() - v[0].x()*v[2].y()) /(v[1].x()*(v[2].y() - v[0].y()) + (v[0].x() - v[2].x())*v[1].y() + v[2].x()*v[0].y() - v[0].x()*v[2].y());float c3 = (x*(v[0].y() - v[1].y()) + (v[1].x() - v[0].x())*y + v[0].x()*v[1].y() - v[1].x()*v[0].y()) /(v[2].x()*(v[0].y() - v[1].y()) + (v[1].x() - v[0].x())*v[2].y() + v[0].x()*v[1].y() - v[1].x()*v[0].y());return {c1,c2,c3};
}
// 
std::tie(alpha, beta, gamma) = computeBarycentric2D(i+a[k], j+a[k+1], t.v);//重心插值
float w_reciprocal = 1.0/(alpha / v[0].w() + beta / v[1].w() + gamma / v[2].w());//透视校正
float z_interpolated = alpha * v[0].z() / v[0].w() + beta * v[1].z() / v[1].w() + gamma * v[2].z() / v[2].w();
z_interpolated *= w_reciprocal;//得到校正后的深度z值

3种着色方式：

Face Flat平面着色：对每个三角形四边形有相同的法线，法线根据三角形边两个两个插值得到，因此每个三角形内部有完全一致的结果

Vertex Gouraud顶点着色：对每个顶点着色，内部用插值计算颜色，结果近似

Pixel Phong像素着色：着色应用在每个像素上，法线方向在内部插值，有更精确的结果

这里如何求法线平均？

比如某顶点是周围三角形的公有顶点，求这个顶点的法线，就是其他的三角形法线方向的加权平均值

渲染流水线

渲染流水线：将 3D 场景转换为 2D 图像的过程

渲染流水线（Rendering Pipeline）：侧重于 GPU 内部的处理阶段，尤其是渲染的各个阶段如何协作从 3D 数据生成图像。更具技术细节，描述数据如何在 GPU 上流动。
渲染管线（Render Pipeline）：是一个更宽泛的概念，涵盖了从场景数据组织到图形渲染的全流程，包括 CPU 端的场景管理、资源调度、API 调用以及 GPU 的流水线处理。
图形管线（Graphics Pipeline）：主要描述图形 API（如 OpenGL、Vulkan 等）如何控制 GPU 渲染阶段。更注重图形 API 的设计和其对 GPU 的控制流程。

Shader：是渲染流水线中可编程的部分，

和作业框架不同，使用图形api时，对于顶点或片段的操作应写在shader中，对于opengl来说需要用glsl语言，directx需要hlsl语言……

当bind绑定shader并调用drawcall时，会自动（非for循环）对每个顶点计算位置和片段/像素计算颜色，运行绑定的着色器