[6.837]A3:OpenG应用和Phong着色模型

任务概述

本次作业中，我们将向场景中添加实时交互预览，同时为之前的光线追踪器增加Phong着色模型。为了达到交互显示，我们将使用OpenGLAPI在显卡上快速渲染三维多边形。我们将能够实时预览场景并且改变视点，接下来用光线追踪器来渲染高质量的图像。许多基础结构在之前的作业中已经构建好，我们只需要向API传递正确的三角形绘制指令或者绘制各种Object3D类的图元。在OpenGL中，API接受所有的透视投影和几何变换，并且将多边形光栅化，并且为每个多边形绘制正确的像素点。除此之外，我们的架构提供了用户界面和鼠标控制摄像机。

实现细节

1.为光线追踪器添加一个可视化预览窗口，使用glCanvas类。在主程序中创建一个实例，调用如下函数初始化：

void glCanvas::initialize(SceneParser *_scene, void (*_renderFunction)(void));

初始化程序输入两个参数，第一个是全局场景指针，第二个是执行光线追踪的函数。glCanvas类建立的目的是使绘制函数没有参数输入并且返回void。从实时界面中，我们可以通过按下键盘r键进行绘制。一旦初始化程序调用，glCanvas将会控制整个应用程序并且监听所有的键盘鼠标消息。通过按下键盘q退出。
2.修改Camera类来控制交互摄像机。
3.绘制三角形的方法
4.绘制平面的方法
OpenGL中并不能存储一个无限延展的平面，由于长度限制，数字最多不能超过10610^6。因此对于平面的绘制，我们将其当作一个很大的长方形，长方形的边长可以任意大，只要不超过表达长度限制即可。计算长方形顶点的方法如下：
平面方程为：Ax+By+Cz+D=0Ax+By+Cz+D=0，法向量N⃗ =(A,B,C)\vec{N}=(A,B,C)，由于空间中只有这个平面上的向量垂直于法向量，因此我们可以任取空间中一个向量V⃗ \vec{V}，计算其与法向量的叉乘得到向量b1→=V⃗ N⃗ \vec{b1}=\vec{V}\vec{N}，再将b1叉乘N得到b2，这样b1b2作为平面上的一组正交基，即可表示平面上的所有点。方便起见，取V⃗ =(1,0,0)\vec{V}=(1,0,0)，如果VN平行，则取V=(0,1,0)。
5.绘制球的方法
在之前的光线追踪算法中，球被表达为一个隐式方程x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2，而在OpenGL绘制管线中，所有的集合元素都被表达为顶点、法线的组合。这里使用了tessellation细分曲面方法，将球细分为多边形。在程序命令行中，我们通过参数-tessellation <thetastep phistep>来控制球在水平和垂直两个维度的细分程度。其中θ,ϕ\theta,\phi是球面坐标中的角度。
6.球的着色方法
通过细分，我们已经把球转化为了多边形。其中顶点法线的计算决定了不同的着色方法。FlatShading表示将每个四边形的顶点法向都设定为该四边形的法向，结果如下：
7.specular lobe fix 高光边界修补
在OpenGL固定渲染管线中，Phong局部光照模型可以通过以下代码定义：

    glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE, diffuse);//漫反射glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_AMBIENT, diffuse);//环境光glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_SPECULAR, specular);//镜面反射光glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_SHININESS, &glexponent);//镜面反射指数

样例渲染结果如下：

我们会发现当高光系数n趋向于0的时候，高光部分与背光部分之间有一道明显的分界线。根据Blinn- Phong镜面反射公式：Cspecular=ks∗(H⋅N)n∗LC_{specular}=k_s*(H·N)^n*L，我们发现小的高光系数会使(H⋅N)n(H·N)^n一项趋近为1，问题在边界部分尤为明显，因为光接近于平行入射，人眼可见的反光度事实上非常小。为了解决这个问题，提出了高光边界修补方法，具体方案是将镜面反射项再乘以N⋅LN·L，这样就可以达到边界部分到高光部分的平滑过渡。在OpenGL中，通过三次传递完成这一修补过程，具体代码为：

if (SPECULAR_FIX_WHICH_PASS == 0) {// First pass, draw only the specular highlightsglMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE, zero);glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_AMBIENT, zero);glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_SPECULAR, specular);glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_SHININESS, &glexponent);}else if (SPECULAR_FIX_WHICH_PASS == 1) {// Second pass, compute normal dot light glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE, one);glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_AMBIENT, zero);glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_SPECULAR, zero);}else {// Third pass, add ambient & diffuse termsassert(SPECULAR_FIX_WHICH_PASS == 2);glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE, diffuse);glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_AMBIENT, diffuse);glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_SPECULAR, zero);}

三次pass对应的效果为：

在我们自己的光线追踪器中，也将镜面反射一项乘以法线与光源的点乘，注意最终求得的结果Clamp到[0,1]区间。

实验结果

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