varying vec3 vNormal

Компьютерная графика. Лекция 8
Визуализация отражающих
полупрозрачных объектов,
трехмерных ландшафтов.
Нефотореалистичный
рендеринг
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
ПОВЕРХНОСТЕЙ
ЗЕРКАЛЬНЫХ
Компьютерная графика. Лекция 8
Компьютерная графика. Лекция 8
ОСОБЕННОСТИ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
ЗЕРКАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Данные поверхности отражают окружающее их
пространство


Простейший пример – плоское зеркало
При визуализация отражений на
криволинейных поверхностях в реальном
времени – более сложная задача

При ее решении обычно прибегают к
алгоритмическим упрощениям

Кубические текстуры
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПЛОСКОГО
ЗЕРКАЛА
Компьютерная графика. Лекция 8
ПРИНЦИП ЗЕРКАЛЬНОГО ОТРАЖЕНИЯ
P
n
P'  P  r  r'  P  2m
m  (v  nˆ )nˆ
v  P Q
Свет от источника света отражается от объекта во все
стороны. При этом часть света достигает зеркальной
поверхности
Часть света отражается от зеркальной поверхности и
достигает глаза наблюдателя по измененной траектории
В итоге, наблюдатель видит мнимое изображение
отраженного объекта за зеркалом
r
v
r’
m
Qm
P’
Компьютерная графика. Лекция 8
ЧТО ТАКОЕ ОТРАЖЕНИЕ?

В зеркале мы видим отражение - мнимый
объект, визуально расположенный за зеркалом
Хотя на самом деле за зеркалом объекта нет,
необходимо нарисовать его так, как если бы он там
находился
 Для визуализации сцены, содержащей плоское
зеркало, необходимо нарисовать ее дважды –
оригинал и отражение сцены

СВОЙСТВА ПЛОСКОГО
ОТРАЖЕНИЯ
Компьютерная графика. Лекция 8
 Каждая
точка
отражения получена
путем отражения
соответствующей
точки оригинала от
плоскости зеркала

Отраженная
полигональная сетка
содержит столько же
вершин и граней, что и
оригинал
Оригинал
Отражение
Компьютерная графика. Лекция 8

Точки, расположенные
за отражающей
плоскостью зеркала, в
нем не отражаются
Лучи света не
достигают глаза
наблюдателя
 Отражается только та
часть пространства,
которая располагается
по лицевую сторону
зеркала

Компьютерная графика. Лекция 8

Направление обхода
вершин в гранях
отраженного объекта
противоположно обходу
вершин граней
оригинального объекта
Оригинал
Отражение
1
1
2
2
3
3
4
4
Компьютерная графика. Лекция 8
СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ОТРАЖЕНИЯ

Построить отражение можно двумя способами:
«Отразить» сцену относительно плоскости зеркала
и нарисовать ее глядя «в зазеркалье»
 «Отразить» положение наблюдателя относительно
плоскости зеркала, и нарисовать сцену, глядя на
нее «из зазеркалья»

Компьютерная графика. Лекция 8
СПОСОБ 1
ВЗГЛЯД В ЗАЗЕРКАЛЬЕ
Компьютерная графика. Лекция 8
ОТРАЖЕНИЕ ОБЪЕКТА
 Отражение
полигональной сетки
осуществляется путем отражения всех ее
вершин
Требует большого количества вычислений для каждой
вершины
 Усложняется применение мировых преобразований к
отраженному объекту

 Можно
модифицировать матрицу мировых
преобразований оригинального объекта
так, чтобы переместить его за зеркало

Уже лучше, но данную операцию необходимо
проделать для каждой матрицы мировых
преобразований объекта
Компьютерная графика. Лекция 8
СПОСОБ 2
ВЗГЛЯД ИЗ ЗАЗЕРКАЛЬЯ
Компьютерная графика. Лекция 8
ОТРАЖЕНИЕ НАБЛЮДАТЕЛЯ

Необходимо модифицировать матрицу
камеры так, чтобы перенести точку
наблюдения за плоскость зеркала, заставив
наблюдателя смотреть из зеркала


Все вычисления сводятся к отражению точки
начала координат и трех координатных осей
Данные вычисления выполняются всего раз для
каждого зеркала
Компьютерная графика. Лекция 8
ПОСТРОЕНИЕ МАТРИЦЫ ОТРАЖЕНИЯ
НАБЛЮДАТЕЛЯ
Извлекаем вектора координатных осей и точку
начала координат из оригинальной матрицы
 Вычисляем вектор mirrorToOrigin направленный
из точки на плоскости отражения к началу
координат
 Вычитаем из координатных осей их удвоенную
проекцию на вектор нормали


Мнимый объект расположен за зеркалом на том же
расстоянии, что и оригинал
Смещаем точку начала координат на удвоенную
проекцию вектора mirrorToOrigin на вектор
нормали
 Сохраняем вектора в матрицу отражения

Компьютерная графика. Лекция 8
void BuildMirrorMatrix(
const float *sourceMatrix,
const Vector3d &mirrorNormal,
const Vector3d &mirrorPoint,
float *destinationMatrix)
{
Vector3d xAxis(&sourceMatrix[0]);
Vector3d yAxis(&sourceMatrix[4]);
Vector3d zAxis(&sourceMatrix[8]);
Vector3d origin(&sourceMatrix[12]);
Vector3d mirrorToOrigin = origin - mirrorPoint;
xAxis -= mirrorNormal.Project(xAxis) * 2;
yAxis -= mirrorNormal.Project(yAxis) * 2;
zAxis -= mirrorNormal.Project(zAxis) * 2;
origin -= mirrorNormal.Project(mirrorToOrigin) * 2;
xAxis.StoreVector(&destinationMatrix[0]);
yAxis.StoreVector(&destinationMatrix[4]);
zAxis.StoreVector(&destinationMatrix[8]);
origin.StorePoint(&destinationMatrix[12]);
}
Компьютерная графика. Лекция 8
ОТСЕЧЕНИЕ ОБЪЕКТОВ ВЫХОДЯЩИХ
ЗА ПЛОСКОСТЬ ЗЕРКАЛА
 Зеркало
отражает лишь те объекты,
которые расположены перед
отражающей поверхностью
При построении отражения рисуются все объекты
сцены
 Объекты могут частично находиться за плоскостью
зеркала, а частично перед ним

 При
рисовании отражения необходимо
отсекать часть сцены, находящуюся за
зеркалом

Несоблюдение данного правила может привести к
визуальным артефактам
Компьютерная графика. Лекция 8
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛОСКОСТЕЙ ОТСЕЧЕНИЯ
OPENGL
 OpenGL
позволяет задать по крайней
мере 6 пользовательских плоскостей
отсечения
Уравнения плоскостей отсечения задаются при
помощи команды glClipPlane
 Плоскость отсечения включается/выключается при
помощи команд
glEnable/glDisable(GL_CLIP_PLANEi)

 OpenGL
отсекает примитивы либо части
примитивов, находящиеся по одну из
сторон каждой из плоскостей отсечения
Компьютерная графика. Лекция 8
КОМАНДА GLCLIPPLANE
 Задает
уравнение одной из плоскостей
отсечения, заданное в виде:
Nx*x + Ny*y + Nz*z + D = 0
 Отсекаются те точки примитивов, для которых
выражение Nx*x + Ny*y + Nz*z + D меньше нуля

 Синтаксис:

glClipPlane(GLenum plane,
const GLdouble *equation)
 plane – номер плоскости – GL_CLIP_PLANEi
 equation – адрес массива из 4-х чисел типа double,
задающих коэффициенты уравнения плоскости
Компьютерная графика. Лекция 8
КОЭФФИЦИЕНТЫ УРАВНЕНИЯ
ПЛОСКОСТИ
P1
P2
P
O
n=(Nx , Ny , Nz)
a
b
P0
 Nx 


n   N y   a  b  P0 P1  P0 P2
N 
 z
Nxx  Ny y  Nz z  D  0
N x Px  N y Py  N z Pz  D  0
n p  D  0
D   n  p   N x Px  N y Py  N z Pz
Компьютерная графика. Лекция 8
ПРИМЕР
glEnable(GL_CLIP_PLANE0);
double clipPlane[4] = {0, -1, 0, 0};
glClipPlane(GL_CLIP_PLANE0, clipPlane);
Компьютерная графика. Лекция 8
ОТСЕЧЕНИЕ ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРКАЛА
Область отражения должна быть ограничена
границами отражающей поверхности
 Сделать это можно, при помощи буфера
трафарета


Плоскость зеркала рисуется в буфере трафарета и
используется в качестве области для рисования
отражения
Компьютерная графика. Лекция 8
ТРАФАРЕТ В OPENGL

Помимо буферов цвета и глубины, в OpenGL
имеется буфер трафарета
Двумерный массив целых чисел определенной
разрядности
 Тест трафарета – один из серии тестов, которые
проходит фрагмент на этапе растеризации.
Выполняется перед тестом глубины

Компьютерная графика. Лекция 8
КАК РАБОТАЕТ ТЕСТ ТРАФАРЕТА

Тест трафарета состоит из двух
последовательных действий, выполняемых над
фрагментом
Вычисление логической функции трафарета над
значением в буфере трафарета
 Выполнение операции трафарета над значением в
буфере трафарета исходя из результатов теста
трафарета и теста глубины

Компьютерная графика. Лекция 8
ФУНКЦИЯ ТРАФАРЕТА
 Данная
функция сравнивает значение в
буфере трафарета с заданной величиной
 Результат данной функции определяет
результат теста трафарета
Фрагменты, прошедшие данный тест, допускаются до
теста глубины
 Фрагменты, не прошедшие тест трафарета,
исключаются из дальнейшей обработки

 Выбор
функции трафарета осуществляется
при помощи команды glStencilFunc
Компьютерная графика. Лекция 8
КОМАНДА GLSTENCILFUNC
 Команда
задает функцию сравнения и
сравниваемое значение для теста трафарета
void glStencilFunc(
GLenum func,
GLint ref,
GLuint mask)
 Результат теста вычисляется по формуле:
func(ref & mask , stencil & mask)
 Параметр func определяет условие положительного
завершения теста трафарета:
 GL_NEVER, GL_LESS, GL_LEQUAL, GL_GREATER,
GL_GEQUAL, GL_EQUAL, GL_NOTEQUAL,
GL_ALWAYS

Компьютерная графика. Лекция 8
ОПЕРАЦИЯ ТРАФАРЕТА
 Тест
трафарета может закончиться либо
успешно, либо неудачно

В случае успешного выполнения теста трафарета
выполняется тест глубины
 Операция
трафарета модифицирует
значение в буфере трафарета исходя из
результатов теста трафарета и теста
глубины
 Установка операции трафарета
осуществляется при помощи команды
glStencilOp
Компьютерная графика. Лекция 8
ДОПУСТИМЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД БУФЕРОМ
ТРАФАРЕТА
Сохранить прежнее значение (GL_KEEP)
 Обнулить значение (GL_ZERO)
 Заменить значением параметра ref функции
сравнения (GL_REPLACE)
 Увеличить на 1 (GL_INCR)
 Уменьшить на 1 (GL_DECR)
 Инвертировать биты (GL_INVERT)

Компьютерная графика. Лекция 8
КОМАНДА GLSTENCILOP
 Команда
задает операцию над буфером
трафарета





void glStencilOp(
GLenum fail,
GLenum zfail,
GLenum zpass)
Параметры определяют действия над буфером
трафарета в различных ситуациях:
fail – тест трафарета закончился неудачей
zfail – тест глубины закончился неудачей
zpass – тест глубины пройден
Компьютерная графика. Лекция 8
РИСУЕМ ЗЕРКАЛО В БУФЕР ТРАФАРЕТА
// рисуем зеркало в буфер трафарета (не модифицируя буферы цвета и глубины)
if (g_useStencil)
{
glEnable(GL_STENCIL_TEST);
glColorMask(GL_FALSE, GL_FALSE, GL_FALSE, GL_FALSE);
glDepthMask(GL_FALSE);
glStencilOp(GL_REPLACE, GL_REPLACE, GL_KEEP);
glStencilFunc(GL_ALWAYS, 1, 255);
DrawMirror(false);
glColorMask(GL_TRUE, GL_TRUE, GL_TRUE, GL_TRUE);
glDepthMask(GL_TRUE);
glDisable(GL_STENCIL_TEST);
}
Компьютерная графика. Лекция 8
СОДЕРЖИМОЕ БУФЕРА КАДРА
Буфер цвета
Буфер трафарета
Компьютерная графика. Лекция 8
РИСУЕМ ОТРАЖЕНИЕ В ОБЛАСТЬ
ЗЕРКАЛА
glFrontFace(GL_CW);
if (g_drawReflection)
{
glEnable(GL_STENCIL_TEST);
glStencilFunc(GL_EQUAL, 1, 255);
glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_KEEP);
glEnable(GL_CLIP_PLANE0);
double clipPlane[4] = {0, -1, 0, 0};
glClipPlane(GL_CLIP_PLANE0, clipPlane);
glLoadMatrixf(mirrorMatrix);
SetLights();
AnimateCube();
DrawCube();
glDisable(GL_CLIP_PLANE0);
glDisable(GL_STENCIL_TEST);
}
glFrontFace(GL_CCW);
Компьютерная графика. Лекция 8
СОДЕРЖИМОЕ БУФЕРА КАДРА
Компьютерная графика. Лекция 8
РИСОВАНИЕ ОРИГИНАЛЬНОЙ ЧАСТИ
СЦЕНЫ
Рисуем плоскость зеркала
 Объекты сцены, вызывающие отражение,
должны быть нарисованы в последнюю очередь


Если нарисовать объекты до их отражений, то
содержимое буфера глубины может быть испорчено
объектами, расположенными позади зеркала, что
вызовет некорректное построение отраженного
изображения
Компьютерная графика. Лекция 8
СОДЕРЖИМОЕ БУФЕРА КАДРА
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
КРИВОЛИНЕЙНЫХ
ОТРАЖАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Компьютерная графика. Лекция 8
ЗАДАЧА ВИЗУАЛИЗАЦИИ
КРИВОЛИНЕЙНЫХ ОТРАЖАЮЩИХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ

«Честное» решение данной задачи требует
достаточно сложных вычислений


Необходимо найти точку пересечения отраженного
от данной точки поверхности луча, исходящего из
глаза наблюдателя, с некоторой точкой сцены
Для визуализации сложных сцен в реальном
времени данный способ не подходит из за
низкого быстродействия
Компьютерная графика. Лекция 8
ТРАССИРОВКА ЛУЧЕЙ
Наблюдатель
Отражающая поверхность
Компьютерная графика. Лекция 8
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗЕРКАЛЬНЫХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

Вместо самой сцены используется ее проекция на
сферу или куб, построенная в центре зеркального
объекта


Изображение называется картой окружающей среды
(Environment Map)
При визуализации объекта необходимо найти
пересечение отраженного луча со сферой или кубом
и использовать цвет карты окружающей среды в
данной точке

Если размер сферы или куба во много раз превышает
размеры объекта, значение будет играть лишь
направление отраженного луча. Положением точки в
пространстве можно будет пренебречь
Компьютерная графика. Лекция 8
Компьютерная графика. Лекция 8
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КУБИЧЕСКИХ ТЕКСТУР

Кубическая текстура представляют собой
развертку шести граней куба, каждая грань
которого содержит текстуру

Каждая из 6 текстур содержит изображение
окружающей среды, которое видно из центра куба
в одном из 6 направлений
Компьютерная графика. Лекция 8
ПРИНЦИП РЕАЛИЗАЦИИ ЭФФЕКТА
ОТРАЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
GLSL

Вершинный шейдер
Трансформация вершины
 Трансформация вектора нормали и видового
вектора в систему координат наблюдателя


Фрагментный шейдер
Нахождение отраженного вектора в данной точке
поверхности
 Извлечение данных из кубической текстуры

Компьютерная графика. Лекция 8
НАХОЖДЕНИЕ ОТРАЖЕННОГО ВЕКТОРА
v
n
r
r  reflect (v, n)  v  2nn  v
Компьютерная графика. Лекция 8
ИСХОДНЫЙ КОД ШЕЙДЕРОВ, ВЫПОЛНЯЮЩИХ
НАЛОЖЕНИЕ ТЕКСТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
varying vec3 Normal;
varying vec3 View;
void main(void)
{
gl_Position = ftransform();
Normal = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);
View = (gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex).xyz;
}
uniform samplerCube EnvironmentTexture;
varying vec3 Normal;
varying vec3 View;
void main(void)
{
vec3 texCoord = reflect(View, Normal);
gl_FragColor = textureCube(EnvironmentTexture, texCoord);
}
Компьютерная графика. Лекция 8
РЕЗУЛЬТАТ РАБОТЫ
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
ПОЛУПРОЗРАЧНЫХ ОБЪЕКТОВ
Компьютерная графика. Лекция 8
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ПОЛУПРОЗРАЧНЫМИ
ОБЪЕКТАМИ

Рефракция изменение
направления
распространения волн
электромагнитного
излучения,
возникающее на
границе раздела двух
прозрачных для этих
волн сред или в толще
среды с непрерывно
изменяющимися
свойствами.
Компьютерная графика. Лекция 8
ПРИЧИНА ВОЗНИКНОВЕНИЯ РЕФРАКЦИИ

Различие в скоростях электромагнитных волн
контактирующих сред
Компьютерная графика. Лекция 8
ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА-ФРЕНЕЛЯ

Каждый элемент
волнового фронта можно
рассматривать как центр
вторичного возмущения,
порождающего вторичные
сферические волны, а
результирующее световое
поле в каждой точке
пространства будет
определяться
интерференцией этих
волн
v1
v2

sin  sin 
Компьютерная графика. Лекция 8
ЗАКОН СНЕЛЛА

Угол падения света на
поверхность связан с
углом преломления
соотношением
n1 sin 1  n2 sin 2
c
n1 
v1
c
n2 
v1
c
c
sin 1  sin  2
v1
v2
v1
v
 2
sin  sin 
Принцип Гюйгенса-Френеля
Компьютерная графика. Лекция 8
ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ

Явление отражения э/м
волны от границы
раздела двух сред при
условии, что волна
падает из среды с
большим показателем
преломления
n2
 c  arcsin
n1
Компьютерная графика. Лекция 8
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПРЕЛОМЛЯЮЩИХ СВЕТ
ОБЪЕКТОВ
Высокореалистичная визуализация
объектов требует трассировки
лучей и обработки всех
преломлений на пути следования
луча
Компьютерная графика. Лекция 8
УПРОЩЕНИЯ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ В
РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
Использование карт окружающей среды
 Расчет только первого преломления

Компьютерная графика. Лекция 8
УПРОЩЕННАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
ПРЕЛОМЛЯЮЩИХ СВЕТ ОБЪЕКТОВ
Кубическая
текстура
Компьютерная графика. Лекция 8
ВЕРШИННЫЙ ШЕЙДЕР
uniform vec4 view_position;
varying vec3 vNormal;
varying vec3 vViewVec;
// normal in model space
// view direction
void main(void)
{
gl_Position = ftransform();
vNormal
= gl_Normal;
vViewVec
= view_position.xyz - gl_Vertex.xyz;
}
Компьютерная графика. Лекция 8
ФРАГМЕНТНЫЙ ШЕЙДЕР (1)
uniform
uniform
uniform
uniform
varying
varying
samplerCube Environment;
float ambient; // ambient color
vec4 baseColor;
float refractionIndex;
vec3 vNormal;
// fragment normal
vec3 vViewVec; // eye direction
void main(void)
{
// normalize view and normal vectors
vec3 n = normalize(vNormal);
vec3 v = normalize(vViewVec);
// Calculate refracted color
vec4 refractedColor = baseColor * textureCube(Environment,
refract(-v, n, refractionIndex));
gl_FragColor = refractedColor + ambient;
}
Компьютерная графика. Лекция 8
РЕЗУЛЬТАТ
Компьютерная графика. Лекция 8
ДАЛЬНЕЙШИЕ УЛУЧШЕНИЯ

Не учитывается
отражаемый свет

Чем больше угол
падения, тем меньше
света преломляется и
тем меньше света
отражается
Компьютерная графика. Лекция 8
ФРАГМЕНТНЫЙ ШЕЙДЕР ЧИСТОГО
ОТРАЖЕНИЯ
uniform
uniform
uniform
varying
varying
samplerCube Environment;
float ambient; // ambient color
float refractionIndex;
vec3 vNormal;
// fragment normal
vec3 vViewVec; // eye direction
void main(void)
{
// normalize view and normal vectors
vec3 n = normalize(vNormal);
vec3 v = normalize(vViewVec);
// Calculate reflected color
vec4 reflectedColor = textureCube(Environment, reflect(-v, n));
gl_FragColor = reflectedColor + ambient;
}
Компьютерная графика. Лекция 8
РЕЗУЛЬТАТ
Компьютерная графика. Лекция 8
КОМБИНИРУЕМ ОТРАЖЕННЫЙ И
ПРЕЛОМЛЕННЫЙ СВЕТ

Коэффициенты преломленного и отраженного
света скомбинируем в зависимости от синуса
отраженного и преломленного света
I  I refl sin   I refr (1  sin  )  I amb
sin   1  cos   1  r  n 
2
n2
sin   sin 
n1
2
n
-v
n1
α
n2
β
r
Компьютерная графика. Лекция 8
ФРАГМЕНТНЫЙ ШЕЙДЕР
uniform
uniform
uniform
uniform
varying
varying
samplerCube Environment;// environment map
vec4 baseColor;
float ambient;
// ambient color
float refractionIndex;
vec3 vNormal;
// fragment normal
vec3 vViewVec; // eye direction
void main(void)
{
vec3 n = normalize(vNormal);
vec3 v = normalize(vViewVec);
vec4 refractedColor =
baseColor * textureCube(Environment, refract(-v, n, refractionIndex));
vec4 reflectedColor = textureCube(Environment, reflect(-v, n));
float cosine = dot(n, v);
float sine = sqrt(1.0 - cosine * cosine);
float sine2 = clamp(refractionIndex * sine, 0.0, 1.0);
gl_FragColor = reflectedColor * sine +
(1.0 - sine2) * refractedColor + ambient;
}
Компьютерная графика. Лекция 8
РЕЗУЛЬТАТ
Компьютерная графика. Лекция 8
ДИСПЕРСИЯ

Явление зависимости
абсолютного показателя
преломления вещества
от длины волны
Обычно чем больше
частота волны, тем
больше показатель
преломления среды и
меньше ее скорость
света в ней
 Аномальная дисперсия

Компьютерная графика. Лекция 8
ЭМУЛИРУЕМ ДИСПЕРСИЮ



Создаем одномерную
текстуру радужного
спектра
Степень дисперсии
(координата в текстуре
спектра) будет
вычисляться по
формуле:
Цвет из спектра
подмешивается к
результирующему
цвету
r  cos 
s
s-коэффициент дисперсии (чем
больше, тем заметнее
дисперсионная картина).
Подойдут значения от 0.1 до 3
Компьютерная графика. Лекция 8
ФРАГМЕНТНЫЙ ШЕЙДЕР
uniform
uniform
uniform
uniform
varying
varying
uniform
uniform
uniform
samplerCube Environment;// environment map
vec4 baseColor;
float ambient;
// ambient color
float refractionIndex;
vec3 vNormal;
// fragment normal
vec3 vViewVec; // eye direction
sampler2D Rainbow;
float rainbowSpread;
float rainbowScale;
void main(void)
{
…
vec4 rainbow = texture2D(Rainbow, vec2( pow(cosine, rainbowSpread), 0.0));
vec4 rain = rainbowScale * rainbow * baseColor;
// mix reflected and refracted colors
gl_FragColor = reflectedColor * sine + ambient +
mix(refractedColor, rain, sine2);
}
Компьютерная графика. Лекция 8
РЕЗУЛЬТАТ
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
ЛАНДШАФТОВ
ТРЕХМЕРНЫХ
Компьютерная графика. Лекция 8
Трехмерный ландшафт – сцена,
моделирующая некоторый участок земной
поверхности
 Характерной особенностью являются большие
объемы информации, затрачиваемые на
представление обширных пространств


как правило, повторяющихся элементов
ландшафты не содержат
Компьютерная графика. Лекция 8
СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ В ПАМЯТИ
ЭВМ
Регулярной сетки высот
 Иррегулярной сетки вершин и связей



обычная полигональная сетка
В виде посегментной карты высот
Компьютерная графика. Лекция 8
КАРТА ВЫСОТ
Компьютерная графика. Лекция 8
ХАРАКТЕРИСТИКИ
 Простота
представления и обработки
данных

можно использовать обычный графический редактор
 Игнорирование
особенностей равнинных
и холмистых участков ландшафта

Избыток либо недостаток данных
 Невозможность
впадин и т.п.
представления пещер,
Компьютерная графика. Лекция 8
ИРРЕГУЛЯРНАЯ СЕТКА
Компьютерная графика. Лекция 8
ХАРАКТЕРИСТИКИ

Позволяет учитывать особенности участков
ландшафта

На представление равнинных участков требуется
меньше вершин и полигонов
Дает возможность представления впадин,
пещер и т.п.
 Сложность обработки и визуализации

Компьютерная графика. Лекция 8
ПОСЕГМЕНТНЫЕ КАРТЫ ВЫСОТ
 Ландшафт
разбивается на сегменты
определенного размера

Каждый блок может быть представлен в виде
регулярной или нерегулярной сетки высот
 Достоинства:
Возможность представления огромных пространств
 Каждый блок может иметь по несколько вариантов
сеток высот для разных уровней детализации

 Недостатки


Усложнение стыковки блоков
Усложнение редактирования
Компьютерная графика. Лекция 8
ПРИМЕР
НЕФОТОРЕАЛИСТИЧНЫЙ
РЕНДЕРИНГ
Компьютерная графика. Лекция 8
NON-PHOTOREALISTIC RENDERING

Область компьютерной графики, нацеленная
на создание широкого спектра выразительных
художественных стилей
Рисование
 Черчение
 Технические иллюстрации
 Трехмерные мультифильмы

HATCHING (ШТРИХОВКА)
Компьютерная графика. Лекция 8
ШТРИХОВКА


Артистических прием, основанный на передаче
света и тени при помощи близко
расположенных параллельных линий
Принцип создания в реальном времени
Подготавливаются N текстур, задающих разные
степени штриховки
 Вершинный шейдер вычисляет освещенность
каждой вершины в диапазоне от 0 до 1
 На основе цвета вершины вычисляются весовые
коэффициенты смешивания текстур и передаются
фрагментному шейдеру
 Фрагментный шейдер вычисляет цвет фрагмента
как взвешенное значение цвета текстур

Компьютерная графика. Лекция 8
ТЕКСТУРЫ ШТРИХОВКИ
Компьютерная графика. Лекция 8
ВЕРШИННЫЙ ШЕЙДЕР (НАЧАЛО)
uniform vec4 lightDir;
varying vec2 vTexCoord;
varying vec3 vHatchWeights0;
varying vec3 vHatchWeights1;
void main(void)
{
gl_Position = ftransform();
vTexCoord = vec2(gl_MultiTexCoord0);
vec3 normalW = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);
float diffuse = clamp(dot(lightDir.xyz,normalW), 0.0, 1.0);
diffuse = diffuse * diffuse;
diffuse = diffuse * diffuse;
Компьютерная графика. Лекция 8
ВЕРШИННЫЙ ШЕЙДЕР (ПРОДОЛЖЕНИЕ)
float hatchFactor = diffuse * 6.0;
vec3 weight0 = vec3(0.0);
vec3 weight1 = vec3(0.0);
if (hatchFactor>5.0)
{
weight0.x = 1.0;
}
else if (hatchFactor>4.0)
{
weight0.x = 1.0 - (5.0 - hatchFactor);
weight0.y = 1.0 - weight0.x;
}
else if (hatchFactor>3.0)
{
weight0.y = 1.0 - (4.0 - hatchFactor);
weight0.z = 1.0 - weight0.y;
}
Компьютерная графика. Лекция 8
ВЕРШИННЫЙ ШЕЙДЕР (ОКОНЧАНИЕ)
else if (hatchFactor>2.0)
{
weight0.z = 1.0 - (3.0 - hatchFactor);
weight1.x = 1.0 - weight0.z;
}
else if (hatchFactor>1.0)
{
weight1.x = 1.0 - (2.0 - hatchFactor);
weight1.y = 1.0 - weight1.x;
}
else if (hatchFactor>0.0)
{
weight1.y = 1.0 - (1.0 - hatchFactor);
weight1.z = 1.0 - weight1.y;
}
vHatchWeights0 = weight0;
vHatchWeights1 = weight1;
}
Компьютерная графика. Лекция 8
ФРАГМЕНТНЫЙ ШЕЙДЕР
uniform
uniform
uniform
uniform
uniform
uniform
varying
varying
varying
sampler2D Hatch0;
sampler2D Hatch1;
sampler2D Hatch2;
sampler2D Hatch3;
sampler2D Hatch4;
sampler2D Hatch5;
vec2 vTexCoord;
vec3 vHatchWeights0;
vec3 vHatchWeights1;
void main(void)
{
gl_FragColor =
texture2D(Hatch0,vTexCoord)
texture2D(Hatch1,vTexCoord)
texture2D(Hatch2,vTexCoord)
texture2D(Hatch3,vTexCoord)
texture2D(Hatch4,vTexCoord)
texture2D(Hatch5,vTexCoord)
}
*
*
*
*
*
*
vHatchWeights0.x +
vHatchWeights0.y +
vHatchWeights0.z +
vHatchWeights1.x +
vHatchWeights1.y +
vHatchWeights1.z;
Компьютерная графика. Лекция 8
РЕЗУЛЬТАТ
METALLIC CARTOON
Компьютерная графика. Лекция 8
ПРИНЦИП СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТА METALLIC
CARTOON

Создается текстура,
задающая плавный
переход от света к тени


Функция
трансформации цвета
Фрагментный шейдер
выполняет
трансформацию
освещенности
фрагмента на основе
данной текстурной
функции
1
0
1
Компьютерная графика. Лекция 8
ВЕРШИННЫЙ ШЕЙДЕР
uniform
uniform
uniform
uniform
vec4
vec4
vec4
vec4
varying
varying
varying
varying
varying
vec3
vec3
vec3
vec3
vec3
view_position;
light0;
light1;
light2;
vNormal;
vLight1;
vLight2;
vLight3;
vView;
void main(void)
{
gl_Position = ftransform();
vNormal = gl_Normal ;
vView = normalize( view_position.xyz - gl_Vertex.xyz );
vLight1 = normalize(light0.xyz - gl_Vertex.xyz);
// Light 1
vLight2 = normalize(light1.xyz - gl_Vertex.xyz);
// Light 2
vLight3 = normalize(light2.xyz - gl_Vertex.xyz);
// Light 3
}
Компьютерная графика. Лекция 8
ФРАГМЕНТНЫЙ ШЕЙДЕР
uniform sampler2D Outline;
uniform vec4 Material;
varying
varying
varying
varying
varying
vec3
vec3
vec3
vec3
vec3
vNormal;
vLight1;
vLight2;
vLight3;
vView;
void main(void)
{
vec3 norm = normalize (vNormal);
vec2 texCoord = vec2(1.0 - dot (norm, normalize(vView)), 0.5);
vec3 outline = texture2D(Outline, texCoord).xyz;
float lighting = (dot (normalize (vLight1), norm) * 0.5 + 0.5) +
(dot (normalize (vLight2), norm) * 0.5 + 0.5) +
(dot (normalize (vLight3), norm) * 0.5 + 0.5);
gl_FragColor = vec4(outline,1.0) * vec4(lighting) * Material;
}
Компьютерная графика. Лекция 8
РЕЗУЛЬТАТ
TOON SHADING
Компьютерная графика. Лекция 8
ПРИНЦИП СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТА TOON
SHADING



Создается одномерная
ступенчатая текстура,
задающая функцию
преобразования
освещенности
Вершинный шейдер
вычисляет диффузную
составляющую
освещенности вершины
Фрагментный шейдер
трансформирует
диффузную освещенность
с использованием
функции преобразования
1
0
1
Компьютерная графика. Лекция 8
ВЕРШИННЫЙ ШЕЙДЕР
uniform vec3 lightDir;
varying vec2 vTexCoord;
void main(void)
{
gl_Position = ftransform();
vec3 normalW = gl_NormalMatrix * gl_Normal;
float diffuse = max(0.0,dot(lightDir,normalW));
vTexCoord.x = diffuse;
vTexCoord.y = 0.0;
}
Компьютерная графика. Лекция 8
ФРАГМЕНТНЫЙ ШЕЙДЕР
uniform sampler2D ToonShaderTexture;
varying vec2 vTexCoord;
void main(void)
{
gl_FragColor = texture2D(ToonShaderTexture, vTexCoord);
}
Компьютерная графика. Лекция 8
РЕЗУЛЬТАТ