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[WebGL入门]二十四,补色着色

注:文章译自http://wgld.org/,原作者杉本雅広(doxas),文章中如果有我的额外说明,我会加上[lufy:],另外,鄙人webgl研究还不够深入,一些专业词语,如果翻译有误,欢迎大家指正。



本次的demo的运行结果

着色方法

上次介绍了反射光,反射光是实现光泽的不可缺少的概念,到此为止,基本的光照效果都已经封装完毕了。
光照的效果主要就是扩散光,环境光和反射光三种方法,灵活运用这三种光照,应该就能实现非常逼真的照明效果了。
前几篇一直在说光照,这次稍微换个视点,看一下着色,着色是一个比较大的话题,这次讲一下高氏着色和补色着色。

高氏着色(gouraud shading)

高氏着色从名字上看,是比较难明白具体是什么样的着色的,这个高氏(gouraud)其实是以研究该着色的Henri Gouraud来命名的。

lufy:高氏着色又叫高洛德着色或高氏渲染(Gouraud Shading):这是一种光影渲染技术也是目前较为流行的着色方法,它可对3D模型各顶点的颜色进行平滑、融合处理,将每个多边形上的每个点赋以一组色调值,同时将多边形着上较为顺滑的渐变色,使其外观具有更强烈的实时感和立体动感,不过其着色速度比平面着色慢得多但是效果要好得多。

高氏着色可以对多边形的顶点之间的颜色进行补间,高氏着色的计算负荷并不是太高,但是,可以实现很漂亮的渲染,所以经常被使用。

对顶点间的颜色进行补间是什么意思呢?

简单的说,用高氏着色计算得到的最终的颜色情报,适用于所有顶点,并且对顶点和顶点之间的颜色进行补间处理,最后渲染模型。

使用高氏着色,想用少量的顶点渲染漂亮的光照是很难的。比如说,一个最简单的三角形多边形,三维空间中只有这一个三角形,这个面就直接和光碰撞了。




放射性光源的时候(比如说灯泡),应该是三角形的中心就最亮,而顶点的部分要稍微暗一些,但是高氏着色只是在顶点之间进行颜色补间,所以无法凸显三角形中间的亮点。
另外,因为是根据每个顶点进行颜色补间,颜色变化的时候会出现锯齿。这个锯齿随着顶点数的增多而逐渐消失,但是这么做的话,高氏着色计算负荷小的优势就没有了,所以这是个难处理的地方。

细心的朋友可能会发现,这个网站中所有的demo,都是用的高氏着色。顶点着色器的光的强度和颜色的进行计算,然后只是将最终算出的颜色传给了片段着色器,这种根据每个顶点来计算颜色的方法就是高氏着色。
下面是证据,目前为止的demo中的颜色之间会存在锯齿,会有一些不太自然的镜面反射。


扩大之后看的话就比较清楚了吧,顶点数越少,这种现象就越明显。

补色着色(phong shading)


理解了高氏着色之后,接着看补色着色。
像刚才说的那样,相对高氏着色是对顶点之间的颜色进行补间处理,补色着色是对各个像素进行颜色的补间处理。也就是说,计算量会比高氏着色增大很多,但是可以将渲染出颜色的细节。
补色着色的名字跟高氏着色一样,都是以人名(Bui Tuong Phong)来命名的。使用补色着色的话,会克服高氏着色的弱点,即使顶点数少的时候也能得到很自然的效果。

因为补色着色是在像素之间对颜色进行补间,所以不会发生不自然的锯齿。下面是和高氏着色的渲染效果做比较。

完全是相同的顶点数,相同的光源渲染出的补色着色和高氏着色。左边是补色着色,无论阴影还是高亮的部分,都非常的漂亮和自然。

补色着色的封装

知道了高氏着色和补色着色两者之间的不同,那么就来看看补色着色的封装吧。补色着色就是刚才说的那样,在像素之间进行颜色的补间处理,那么目前为止的在顶点着色器中进行的光照处理,全部要交给片段着色器。
具体的说,追加一个处理,顶点着色器中的顶点的法线情报用varying变量传给片段着色器,然后其他的光照处理全部移到片段着色器中。
首先看顶点着色器的代码。


>顶点着色器的代码
attribute vec3 position;
attribute vec3 normal;
attribute vec4 color;
uniform   mat4 mvpMatrix;
varying   vec3 vNormal;
varying   vec4 vColor;


void main(void){
    vNormal     = normal;
    vColor      = color;
    gl_Position = mvpMatrix * vec4(position, 1.0);
}

和目前为止的代码不同,新定义了一个叫做vNormal的varying变量,用来将法线情报传给片段着色器。顶点的颜色情报和坐标变换矩阵等地方不用变。
接着是片段着色器。


>片段着色器代码
precision mediump float;


uniform mat4 invMatrix;
uniform vec3 lightDirection;
uniform vec3 eyeDirection;
uniform vec4 ambientColor;
varying vec3 vNormal;
varying vec4 vColor;


void main(void){
    vec3  invLight  = normalize(invMatrix * vec4(lightDirection, 0.0)).xyz;
    vec3  invEye    = normalize(invMatrix * vec4(eyeDirection, 0.0)).xyz;
    vec3  halfLE    = normalize(invLight + invEye);
    float diffuse   = clamp(dot(vNormal, invLight), 0.0, 1.0);
    float specular  = pow(clamp(dot(vNormal, halfLE), 0.0, 1.0), 50.0);
    vec4  destColor = vColor * vec4(vec3(diffuse), 1.0) + vec4(vec3(specular), 1.0) + ambientColor;
    gl_FragColor    = destColor;
}

逆矩阵,光向量,视线向量等一直以来都在顶点着色器中使用的数据,全都移动到片段着色器中来了。另外,利用刚才在顶点着色器中定义的varying变量vNormal进行了计算。计算的方法和以前一样,没有任何改变。就是说,只是把顶点着色器中的处理,放到了片段着色器中而已。
这次的变化,并没有添加新的uniform变量,也就是说,javascript部分基本上不用变。
简单的来说,高氏着色和补色着色的主要区别就在于,根据顶点处理还是根据像素处理,虽然这么说跟定义相比有些奇怪,但是这么理解的话也没什么错。


总结

这一次分别说了高氏着色和补色着色两种着色,高氏着色的优点是计算量比较低,而和补色着色相比的话,渲染效果不太自然。
补色着色正好相反,计算量很高,但是渲染效果非常完美。
到底选择那种方法,取决于模型的顶点数和需要的渲染效果,以及执行环境能够承受的计算负荷。
实际应用中,根据利用的场景和描画的模型,分别使用不同的方法是非常重要的。
这次也准备了demo,急着看运行效果的人可以点击文章最后的链接来测试。

另外,补充一点,这次的demo中对圆环体的生成函数做了几处修改,返回值是以对象的形势返回的,可以指定圆环体的颜色了。其实,也并没有做什么其他特别的处理。


下次,介绍一下电光源。

用补色着色来渲染的圆环体

http://wgld.org/s/sample_012/


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