着色 Shading

shading:The darkening or coloring of an illustration or diagram with parrel lines or a block of color.
用平行线或色块使插图或图表变暗或上色
着色：对不同物体应用不同材质（material）的过程。

基本定义

着色点

计算某一着色点（shading point）对于相机的光照。
输入（v,n,l，长度都是1）：

观察方向，v
表面法线，n
光照方向，l
物体表面的参数（颜色、shiniess…）

注意：
着色具有局部性（不用考虑阴影）。

漫反射

当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为“漫反射”或“漫射”。对于漫反射，所有观测方向颜色是相同的

高光

高光，指画面调子最亮的一个点，表现的是物体直接反射光源的部分，多见于质感比较光滑的物体。

环境光

环境光为场景提供恒定照明。它会无差别地点亮所有对象顶点。环境光在所有方向都是恒定的，并且会无差别地为某个对象的所有像素上色。这是一种快速计算，但会让对象看上去扁平且不逼真。
注意：
分析出漫反射、高光、环境光就可以定义出材质。

计算shading point能接收多少光

shading point法线角度的不同，会使得吸收的光照不同

根据点距光源距离求光强

光的能量会随着距离衰减，如下图所示。

获取漫反射（Diffuse）的反射光

下面的公式是到达的能量乘接收的能量，即为最终反射的能量。（着色与观测方向无关）

计算出一个三维向量表示颜色。漫反射与观察的方向没有关系。

光照方向比较亮，接收的能力较多，背面接收的能力少相对较暗。

高光项(Specular Term)

入射光通过反射进入人眼就会形成高光，为了方便表示，使用法线与半程向量（入射光和反射光的中线）的夹角余弦来表示高光的强弱。

用夹角余弦不合适，变化的太慢，高光面积太大。

镜面反射系数是亮度，p增大，高光点变小。

环境光项 Ambient Term

环境光很复杂，所以假设任何一个点接收的环境光都是相同的为I_a
环境光其实是一个常数

Blinn-Phong 反射模型

将三项相加，得到反射模型的结果。

着色频率 Shading Frequency

色频率

着色模型(频率）就是如何运用（也可以不用）光照模型计算的结果显示由多边形表示的曲面。就是说着色应用在哪些点上。

这三个球几何构造完全相同，着色频率不同。第一个着色应用在平面上，第二个着色应用在顶点上，第三个着色应用在像素上。

Flat Shading —— 对每一个三角形着色

一个三角形面一个颜色（三角形的法线通过两边的叉积获得）

Gouraud Shading —— 对每个顶点着色

求出每个顶点的法线后，构成三角形，对三角形内部的颜色做插值。

常使用周围平面法线的加权平均来计算顶点的法线。

获得逐像素的法线

通过重心坐标获得法线

三种渲染的结果

三种着色模型没有最好的，对于点比较密集的图像，使用Face着色效果也不错，而且计算量小。

图形管线 Graphics Pipeline / 实时渲染管线 Real-time Rending

总结：首先输入空间点信息，经过MVP变换投影到屏幕上，这些点形成三角形，但是屏幕是离散的像素点，通过光栅化将三角形离散为许多像素点（fragment），通过着色赋予颜色，最终形成一张图。这些操作已经在GPU中写好了。

顶点和三角形变换处理

MVP变换

光栅化

将三角形离散为多个像素点。

判断是否可见（深度缓存）

Shading 在顶点和像素都会发生

对顶点做shading得在第一步，对三角形，像素做着色得在第四步（即产生像素了才能着色）

shader就是控制像素和顶点如何着色的。

Shader Programs

对每个顶点和每个像素都会执行（不用写for循环）。有顶点着色器 (vertex shader)和片段着色器(fragment shader) (也称为像素着色器）

GLSL着色器例子

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