OpenGL之图形流水线中的光照计算、明暗处理

1.1 光照计算发生在图形流水线的Vertex Operations中，只计算每个顶点的颜色，而三角形内部的点的颜色在Fragment Operations阶段通计算，这样效率高，因为像素的数量远远大于顶点的数量。

1.2 计算三角形内每个像素的颜色的过程，称为shading，也称明暗处理、着色。几种常见处理方法有：

• 常数明暗处理；
• Gouraud 明暗处理；
• Phong 明暗处理；

1.3 常数明暗处理

每个面片内所有像素都取同样的颜色，颜色来源于某个顶点的颜色。即对每个多边形只计算一个光照强度，然后用此值作为整个多边形平面的明暗值赋给多边形的每个像素，使多边形的每个点都具有相同的明暗度。

1.4 Gouraud 明暗处理

采用双线性插值的方式计算面片内像素的颜色，具体为：

• 计算出多边形各个顶点的法向（对周围面片法向进行平均求得此顶点的法向）；
• 采用光照公式计算出各顶点的光亮度值；
• 然后再对多边形顶点的光亮度进行“双线性插值”计算出多边形内任意片元的光亮度。
  

双线性插值发生在光栅化阶段，会对多边形进行扫描转换，此时正好就可以再扫描过程中对每个片元进行双线性插值。

顶点层次处理的对象是顶点，Fragment operations阶段处理的是片元（像素）。

1.5 在OpenGL中，主要分为Flat Shading和Smooth Shading。

1.6 Gouraud 明暗处理问题

• 曲面分割过粗可能产生错误效果；
• 高光的丢失，如下图高光部分不规则，主要是由于插值不均匀导致的；
• 马赫带效应（即高亮度变化率不连续的边界处呈现亮带或黑带）；
  
  

1.7 Phong 明暗处理

主要思想是不插值光亮度颜色，而是插值法向量，因此也称为“法向量插值明暗处理”。对多边形顶点处法向量做双线性插值，将插值计算得到得多边形内各片元得法向量带入光亮度计算公式，得到各片元得光亮度。

• 计算出多边形各顶点得法向；
  
• 对多边形中得某个片元，双线性插值计算其法向；
  
• 计算出多边形内片元得光亮度。

1.8 各明暗处理方法效果

• Phong Shading模拟得高光效果更逼真，但由于模型本身精细度不高，轮廓并不光滑。
• Phong明暗处理得缺点是计算量大；一般采用shader来实现；
  
  
• Gouraud明暗处理：直接插值得到光亮度；
• Phong 明暗处理：先插值得到法向量，再带入光照模型计算得到光亮度颜色；
• Phong shading处理过程中，计算顶点在CPU中，双线性插值计算其法向发生在光栅化阶段；
• 在Fragment operation阶段计算片元得光亮度；
• 前两者是顶点级得光照计算，而Phong shading则是像素级别得光照计算；

1.9 其他明暗处理方法

• 可以通过凹凸纹理来指定每个像素的法向或者高度值；如下中间的凹凸纹理，作用于一个面片的效果，可以产生凹凸不平的效果；
  

1.20 OpenGL中只支持常数明暗处理和Gouraud 明暗处理，Phong Shading需要shader编程实现。

• GL_FLAT：参数明暗处理；
• GL_SMOOTH：采用Gouraud明暗处理；

glShadeModel(GLenum mode);
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