深度缓存
如何解决远近的问题,能正确的覆盖
按照画作来说,先画出远处的物体,再画出近处的物体,近处会将其覆盖,这种算法叫做画家算法
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但事实上,排序不仅要花更多的时间,而且排序并不容易,而且如果存在互相遮挡关系存在的情况下,画家算法就无法实现
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为了解决这个问题,现代图形学所使用的都是深度缓存的算法,我们最后要做到的是基于每一个像素,我们存下每一个位置最前的那个像素,生成深度图,每一次计算的时候,我们会同时生成一个结果图和一个深度图
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因为我们之前在定义相机的时候说过,我们的相机永远是朝向-z轴的方向,因此,我们需要定义,深度是一个距离,永远是一个正的值,离相机近深度就小,离相机远,深度就大,举一个深度图和渲染图的例子
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这两张图永远是同步生成的,离相机越近的点,深度越小,那么像素值越小,那也就越黑,那么这个算法要怎么进行呢,永远只记下当前像素最小的值就可以了,一开始都是无限远,再遍历每一个三角形光栅化后的每一个像素的深度
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例子如下
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通过这样一个办法,我们可以通过逐像素的方法来维护深度图,我们需要明确一点,该算法只是在每次记录最小值,而并没有排序,所以在时间复杂度上并不大,而且这个算法和画出图像的顺序没有关系
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在实际情况下,两个浮点数很难相等,因此,基本上不存在深度相同的情况,这个深度缓存在所有的硬件上都存在,如果有反走样的运用的话,可能记录的是采样点,不仅仅是像素点的采样
着色
目前我们所作的内容
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我们目前还没解决的问题就是着色
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所谓着色,意思就是引入明暗和颜色的变化,对于计算机图形学来说,就是对于不同的物体运用不同的材质叫做着色,一个相同的物体拥有不同的材质也就看起来大不相同,最基础的着色模型phong模型,或者说反射模型
例如下面的反射例子,包括高光(镜面反射),漫反射,以及间接光照(在路径追踪上详细介绍)
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如何定义光照,例如一个着色点上的光照,我们可以定义法向,观察方向,光源方向,这些向量都是单位向量,仅仅表示方向,除了这几个方向以外,就需要定义这个点平面的表面属性,颜色,有多亮等
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最后,着色不等于阴影,着色情况只看它自己,而并不考虑其它物体的存在,也就是具有局部性,阴影在后面解释如何生成
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那么我们首先考虑简单的漫反射,漫反射的定义是当光线打在这个点上时,反射的方向不确定,是自由的
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但是事实上这个并不容易,我们可以通过能量守恒的定义来推导物体表面的亮度,接受的能量是通过着色点周围的单位面积来考虑的,能量的接受度和角度的大小有关,和余弦的大小成正比
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光作为一种能量,那么它是怎么产生的,例如一个点光源,我们如果认为点光源,认为辐射出来的能量在每一个方向上相同,又根据能量守恒的定理,点光源的的能量随着传播,每一个点的能量会小很多,距离和单位面积上的光的强度是衰减,并且以距离的平方成反比
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那么我们就可以写出我们所在漫反射上能看到多少的能量,首先根据点光源,单位面积光照强度和距离的关系,求出此时单位面积投射出的光的能量大小,又根据余弦定理求出接受的百分比,就可以求出看到这个着色点的明暗
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我们在此时有定义一个系数Kd,这个就是用来表示颜色的,因为颜色的产生是根据吸收光的多少来决定的,如果Kd为1,那就说明没有能量在这个着色点被吸收,那这个点就非常亮,根据这个就可以表示明暗,如果将Kd定义为三通道RGB,那么我们就可以定义颜色了
因为是漫反射,所以这个和我们观测角度V完全没有任何的关系,因为光线漫反射在四面八方反射的光线是完全一样的
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