قليلا عن التظليل فونج

"لا يمكننا أن نتوقع أننا سنكون قادرين على عرض الكائن كما هو في الواقع ، مع القوام ، والظلال ، إلخ. نأمل فقط في إنشاء صورة قريبة بدرجة كافية لتحقيق درجة معينة من الواقعية ".

بوي تايونج فونج

ولد بوي ثونج فونج في عام 1941 وأصبح عالم الكمبيوتر خلال حرب فيتنام. يجب أن يكون من الصعب عليه إكمال دراساته في البيئة السامة في الستينيات ، ناهيك عن حقيقة أنه تم استدعاؤه إلى الأمام! لكنه تمكن من البقاء على قيد الحياة والبقاء على قيد الحياة حتى عام 1975 ، قبل أن يقتل سرطان الدم حياته بعد عامين فقط من إرساء الأساس لعالم النظرية الحديثة للإضاءة والتظليل: Fong's shader . تتكون الأسماء الفيتنامية من ثلاثة أجزاء: اللقب والاسم الأوسط والاسم الشخصي. أي عندما يقول الناس "Fong shader" ، يسمون الاسم الشخصي Bui Tyong. يمكنك قراءة المزيد عن الأسماء الشخصية على ويكيبيديا .


لست متأكدًا مما إذا كان هذا هو Phong ، لكن وفقًا لـ Google ، نعم.

"دع بهدوء أشعة الشمس الهادئة
العب حول سريري المحتضر
E'er وادي مضاءة بشكل خافت
أنا مع القدمين وحيدا يجب أن فقي. "

دع النور يدخل - قصيدة بقلم فرانسيس هاربر

ويستند تظليل فونج على الرياضيات موجزة للغاية. وهو ، في الواقع ، لا تحتاج إلى معرفته ، إلا إذا كنت ترغب بإخلاص في أن تصبح مبرمج رسومات. ومع ذلك ، على المدى الطويل ، فإن معرفتها ستكون مفيدة. فيما يلي مقتطفات من برنامج OpenGL Superbible ، الإصدار السابع من قِبل Graham Sellers ومؤسسة Kronos Group ARB.

أ) بعض المفاهيم

أولاً ، دعونا نتعرف على المفاهيم. إذا كنت تتعامل مع النمذجة ثلاثية الأبعاد أو تطوير اللعبة لمدة دقيقة على الأقل ، فيجب أن تكون قد واجهتها بالفعل ، لكن التكرار لم يزعج أي شخص.

A-1) الضوء المحيط

تقارن معظم الكتب ، خاصة تلك ذات الجودة المنخفضة ، هذه الإضاءة بأشعة الشمس ، لكن هذا غير صحيح تمامًا. الإضاءة المحيطة ليست ضوء الشمس. إنه يأتي من جميع الاتجاهات ، أي أنه موجود في كل مكان ، لكنه في الحسابات عبارة عن ناقل ذو ثلاثة مكونات. في تظليل فونج ، يتم إضافته في النهاية ، لكنه لا يتغير.

A-2) منتشر / منتشر الضوء

الإضاءة المنتشرة لها اتجاه. هذا هو في الواقع مكون اتجاهي لمصدر الضوء [كذا] . في السينما ، ينتشر الضوء باستخدام صندوق ناعم ، وفي رسومات الحاسوب ، ينتشر الضوء باستخدام صيغة نعرضها أدناه. الحجم ، أي حجم الإضاءة المنتشرة ، يعتمد على السطح. على سبيل المثال ، إذا كان السطح غير لامع ، أي أنه يمتص أكثر مما يعكس الضوء ، فإن القيمة ستكون أكبر من حالة السطح الأملس.


ضوء محيط مبعثر / ممتص من شاشة بلورية

A-3) تسليط الضوء على براق

مثل الإضاءة المنتشرة ، يكون الضوء المنعكس اتجاهي ، ولكنه يعتمد على لمعان السطح ؛ فإنه يترك تسليط الضوء يسمى بريق . في الحياة الحقيقية ، اللمعان ليس جزءًا لا يتجزأ من المادة. في الواقع ، فإن طلاء الفيلم أو قطرة من الشمع ستضيف الكثير إلى اللمعان أكثر من أي شيء آخر. اللمعان المنعكس هو عامل يتراوح من 0 إلى 128 ، لأنه عند القيم أعلى من 128 لن يؤثر بشكل كبير على التظليل.


فيلم مع فيلم - ورق سميك ملون مع طبقة طلاء لامعة ، هدية حقيقية للطفل.

4 - البيدو

هذا هو جزء من الضوء الحادث ينعكس على السطح.

A-5) صيغة فونج

الصيغة لحساب المواد وفقا لفونج هي كما يلي:

$$

$$I_p = k_ai_a + k_d \ left (\ vec {L}. \ Vec {N} \ right) i_d + k_s \ left (\ vec {R}. \ Vec {V} \ right) ^ \ alpha i_s$$

حيث:

$$$k_a$: المواد المحيطة

$$$k_d$: نشر المواد

$$$k_s$: المواد براق و $$$\ alpha$: قيمة اللمعان

$$$i_a$: الإضاءة المحيطة

$$$i_d$: إضاءة منتشرة

$$$i_s$: إضاءة غير مباشرة

قد تسأل ، ماذا عن المتجهات؟ لا تقلق ، الآن سنخبرهم:

$$$\ vec {N}$: طبيعي على السطح

$$$\ vec {L}$: متجه الوحدة من النقطة المظللة إلى مصدر الضوء (بمعنى آخر ، متجه الضوء)

$$$\ vec {R}$: انعكاس القيمة السلبية لمتجه الضوء

$$$\ overrightarrow {V}$: ناقلات موجهة نحو المشاهد

ب) تظليل جورو

قبل الشروع في تظليل Fong ، دعونا نرى كيف يمكنك الحصول على تظليل Gouro على GLSL. يرجى ملاحظة أنني أستخدم الإصدار GLSL 4.1 ، كما في Superbible ، ولكن إذا كنت من محبي www.learnopengl.com ، فيمكنك استخدام 3.3. لا يهم لذلك ، دعونا نرى ما هو التظليل Gouraud.

اخترع طريقة التظليل هذه بواسطة هنري غورو في عام 1971. لا يتجاوز التظليل Phong بأي شكل من الأشكال ، واليوم يستخدم بشكل رئيسي كطريقة لمعاينة التحميل بدون GPU في حزم مثل Cinema 4D. مشكلته هي أن التوهج الذي يولده يشبه الشرارة:


سبب هذه المشكلة هو استيفاء الألوان بين القمم ، وتحدث الثغرات بين المثلثات بسبب تحريف الألوان خطيًا. تم حل هذه المشكلة فقط في Phong shader. دعونا نرى كيف يمكنك تطبيق تظليل Gouro على GLSL 4.1.

قائمة 1 : Gourox قمة التظليل على GLSL 4.1

#version 410 core // Per-vertex inputs layout (location = 0) in vec4 position; layout (location = 1) in vec3 normal; // Matrices we'll need layout (std140) uniform constants { mat4 mv_matrix; mat4 view_matrix; mat4 proj_matrix; }; // Light and material properties uniform vec3 light_pos = vec3(100.0, 100.0, 100.0); uniform vec3 diffuse_albedo = vec3(0.5, 0.2, 0.7); uniform vec3 specular_albedo = vec3(0.7); uniform float specular_power = 128.0; uniform vec3 ambient = vec3(0.1, 0.1, 0.1); // Outputs to the fragment shader out VS_OUT { vec3 color; } vs_out; void main(void) { // Calculate view-space coordinate vec4 P = mv_matrix * position; // Calculate normal in view space vec3 N = mat3(mv_matrix) * normal; // Calculate view-space light vector vec3 L = light_pos - P.xyz; // Calculate view vector (simply the negative of the view-space position) vec3 V = -P.xyz; // Normalize all three vectors N = normalize(N); L = normalize(L); V = normalize(V); // Calculate R by reflecting -L around the plane defined by N vec3 R = reflect(-L, N); // Calculate the diffuse and specular contributions vec3 diffuse = max(dot(N, L), 0.0) * diffuse_albedo; vec3 specular = pow(max(dot(R, V), 0.0), specular_power) * specular_albedo; // Send the color output to the fragment shader vs_out.color = ambient + diffuse + specular; // Calculate the clip-space position of each vertex gl_Position = proj_matrix * P; } 

والآن شظية شظية.

قائمة 2: شظية شظية من نفس المفهوم.

 #version 410 core // Output layout (location = 0) out vec4 color; // Input from vertex shader in VS_OUT { vec3 color; } fs_in; void main(void) { // Write incoming color to the framebuffer color = vec4(fs_in.color, 1.0); } 

ج) تظليل فونج

قبل الانتقال ، دعنا نتذكر أن إضاءة التظليل Phong و Phong هما مفهومان مختلفان. يمكنك التخلص من "ندفة الثلج" من مضيئة Guro بإضافة المزيد من القمم ، لكن لماذا إذا كان لدينا تظليل في Fong؟ في تظليل Phong ، لا يتم تحريف اللون بين الرؤوس (كما هو موضح في القائمة 1 و 2) ، فنحن أقحمنا بين الرؤوس العادية للسطح ، ونستخدم المعدل الطبيعي الذي تم إنشاؤه لإجراء جميع حسابات الإضاءة لكل بكسل ، وليس الرؤوس. ومع ذلك ، فإن هذا يعني أن تظليل الشظايا سيتعين عليه القيام بالمزيد من العمل ، كما هو موضح في القائمة 4. لكن أولاً ، دعونا ننظر إلى تظليل قمة الرأس.


قائمة 3: تظليل قمة الرأس لتظليل فونج على GLSL 4.1.

 #version 410 core // Per-vertex inputs layout (location = 0) in vec4 position; layout (location = 1) in vec3 normal; // Matrices we'll need layout (std140) uniform constants { mat4 mv_matrix; mat4 view_matrix; mat4 proj_matrix; }; // Inputs from vertex shader out VS_OUT { vec3 N; vec3 L; vec3 V; } vs_out; // Position of light uniform vec3 light_pos = vec3(100.0, 100.0, 100.0); void main(void) { // Calculate view-space coordinate vec4 P = mv_matrix * position; // Calculate normal in view-space vs_out.N = mat3(mv_matrix) * normal; // Calculate light vector vs_out.L = light_pos - P.xyz; // Calculate view vector vs_out.V = -P.xyz; // Calculate the clip-space position of each vertex gl_Position = proj_matrix * P; } 

لم يتغير شيء تقريبا. لكن في ظل التظليل ، الوضع مختلف تمامًا.

قائمة 4: فونغ شادر شادر شادر.

 #version 410 core // Output layout (location = 0) out vec4 color; // Input from vertex shader in VS_OUT { vec3 N; vec3 L; vec3 V; } fs_in; // Material properties uniform vec3 diffuse_albedo = vec3(0.5, 0.2, 0.7); uniform vec3 specular_albedo = vec3(0.7); uniform float specular_power = 128.0; uniform vec3 ambient = vec3(0.1, 0.1, 0.1); void main(void) { // Normalize the incoming N, L and V vectors vec3 N = normalize(fs_in.N); vec3 L = normalize(fs_in.L); vec3 V = normalize(fs_in.V); // Calculate R locally vec3 R = reflect(-L, N); // Compute the diffuse and specular components for each fragment vec3 diffuse = max(dot(N, L), 0.0) * diffuse_albedo; vec3 specular = pow(max(dot(R, V), 0.0), specular_power) * specular_albedo; // Write final color to the framebuffer color = vec4(ambient + diffuse + specular, 1.0); } 

حسنًا ، هذه هي نهاية المقال ، أتمنى أن تستمتعوا به. إذا كان ذلك قد أثار شرارة اهتمام OpenGL فيك ، فيمكنك شراء OpenGL Superbible من Amazon أو استكشاف learnopengl.com. إذا لم تتمكن من التعامل مع تظليل ، فإنني أوصي بـ Book of Shaders .