93 lines
8.5 KiB
Markdown
93 lines
8.5 KiB
Markdown
## Oświetlenie Phonga
|
|
W trakcie tych zajęć zajmiemy się implementacją modelu oświetlenia Phonga. Na poprzednich zajęciach zbudowaliśmy układ słoneczny. Wykorzystamy go w trakcie tych zajęć. Jeżeli go zrobiłeś, to przekopiuj do `ex_5_1.hpp` kod z poprzednich zajęć. W przeciwnym wypadku wykorzystaj ten, który jest zaimplementowany w `ex_5_1.hpp`. W zadaniu będzie nam potrzebny statek latający przed kamerą, jak nie ma tego w Twojej scenie to skopiuj to z `ex_5_1.hpp`.
|
|
|
|
|
|
## Zadanie - *diffuse*
|
|
Oblicz we fragment shaderze oświetlenie obiektu przy użyciu modelu Phonga dla odbicia rozproszonego (*diffuse)
|
|
1. Przekaż źródło światła. Na razie przyjmiemy kierunkowy model oświetlenia, dlatego źródło będzie opisane jako wektor kierunkowy:
|
|
|
|
- Prześlij do shadera fragmentów zmienna typu `uniform vec3` (nazwij ją np. `lightDir`), w której będzie się znajdować wektor kierunkowy.
|
|
- Należy to zrobić podobnie do tego, jak przesyłany jest kolor.
|
|
- Jako kierunek światła wybierz dowolny wektor jednostkowy. (Możesz wziąć dowolny niezerowy wektor następnie go znormalizować).
|
|
|
|
* Dodatkowo prześlij drugą zmienną `uniform vec3 lightColor`, w której umieścimy kolor światła. Prześlij tam wartości ze zmiennej `glm::vec3 lightColor`.
|
|
|
|
2. Oblicz natężenie w shaderze fragmentów:
|
|
- prześlij normalne z shadera fragmentów do shadera wierzchołków
|
|
- znormalizuj wektor normalny przed użyciem go w obliczeniach (uśrednianie wektorów normalnych wierzchołków może spowodować, że przestaje one być jednostkowe).
|
|
|
|
- Natężenie to iloczyn skalarny wektora normalnego powierzchni i odwrotnego wektora kierunku padania światła. Skorzystaj z funkcji `dot`.
|
|
|
|
- Natężenie nie może być ujemne. Przytnij natężenie do zera przy użyciu: `x = max(x, 0.0)`
|
|
3. Zastosuj obliczone natężenie, aby zmodyfikować kolor obiektu:
|
|
- Przemnóż kolor RGB fragmentu przez obliczone natężenie i przez kolor światła z `lightColor`.
|
|
|
|
## Zadanie - obsługa obrotów
|
|
Dlaczego oświetlenie statku nie zmienia się podczas jego obracania?
|
|
|
|
(Wektory normalne są w układzie lokalnym modelu, a wektor padania światła w układzie świata)
|
|
|
|
Należy wykonać transformacje wektorów normalnych do przestrzeni świata:
|
|
- Prześlij macierz modelu rysowanego obiektu (_model Matrix_) jako osobna zmienna do vertex shadera (`uniform mat4`).
|
|
- Przemnóż przez te macierz wektor normalny wierzchołka przed przesłaniem go do shadera fragmentów.
|
|
- Współrzędna **w** dopisana do wektora przed mnożeniem przez macierz powinna być ustawiona na 0. Wynika to z tego, że w przypadku transformacji wektorów reprezentujących kierunki w przestrzeni, nie chcemy dokonywać translacji — np. wektor normalny do powierzchni zależy od orientacji obiektu, ale nie od jego pozycji (przesunięcia) w przestrzeni świata.
|
|
|
|
|
|
## Zadanie - *specular*
|
|
Uzupełnił model o czynnik odbicia zwierciadlanego (*specular*). W tym celu:
|
|
|
|
1. Potrzebny będzie wektor od rysowanego fragmentu do pozycji kamery:
|
|
- Wyślij pozycje kamery (`cameraPos`) jako kolejna zmienna do fragment shadera.
|
|
- Podobnie jak wektory normalne prześlij z vertex do fragment shadera pozycje wierzchołków (`vertexPosition`) w przestrzeni świata (czyli pomnożone przez macierz **modelMatrix**). Pamiętaj, że tym razem wektory reprezentują punkty, a nie kierunki - współrzędna **w** przed mnożeniem musi być ustawiona na 1. W wyniku rasteryzacji otrzymamy w shaderze fragmentu jego pozycję (nazywaną pozycją fragmentu)
|
|
- Oblicz wektor **V** (_view direction_) jako znormalizowaną różnice pozycji kamery i pozycji fragmentu.
|
|
|
|
2. Oblicz natężenie światła odbitego we _fragment shaderze_:
|
|
- Oblicz wektor kierunku odbicia światła **R** przy użyciu funkcji [`reflect`](https://www.khronos.org/registry/OpenGL-Refpages/gl4/html/reflect.xhtml). Pamiętaj, żeby przesłać do funkcji odwrócony wektor kierunku światła.
|
|
- Oblicz natężenie: iloczyn skalarny **V** i **R**, przycięty do zera ( `max(...,0.0)` ), a następnie podniesiony do wysokiej potęgi (np. 8, 50, 1000), która jest miara połyskliwości powierzchni.
|
|
|
|
3. Ustal ostateczny kolor piksela na `objectColor * diffuse + lightColor * specular`. Oznacza to najprostszy przypadek, gdy kolor światła odbitego jest biały.
|
|
|
|
|
|
## Zadanie - oświetlenie punktowe
|
|
W układzie planetarnym obiektem oświetlającym powinno być słońce, dlatego zamień oświetlenie kierunkowe na punktowe:
|
|
|
|
- Zamiast przesyłać (w `lightDir`) kierunek światła, prześlij pozycję słońca do fragment shadera (taką jak ustawiłeś w punkcie powyżej) jako uniform vec3 (nazwij go `lightPos`).
|
|
- Oblicz kierunek światła odejmując od pozycji fragmentu pozycję światła, znormalizuj wynik. Zapisz wynik w zmiennej `lightDir`.
|
|
- Słońce będzie czarne, nie martw się tym, tylko spójrz na punkt następny.
|
|
|
|
## Zadanie - shader słońca
|
|
Źródło światła znajduje się wewnątrz kuli, która reprezentuje słońce, dlatego jest czarna. By to naprawić, utwórz osobny shader, który będzie odpowiadać za renderowanie słońca.
|
|
|
|
Celem tego zadania jest stworzenie shadera (**shader_4_sun.vert**_ i **shader_4_sun.frag**), który będzie odpowiadał wyłącznie za rysowanie słońca. Poprzednie shadery (**shader_4_1.vert**_ i **shader_4_1.frag**) nadal mają rysować pozostałe obiekty. a) zainicjalizuj _program_ (shadery): - Pliki **shader_4_sun.vert** i **shader_4_sun.frag** są identyczne z 4_1** przed zmianami, będą punktem wyjścia dla _shadera_ słońca.
|
|
|
|
1. Utwórz zmienną globalną `GLuint programSun` na adres shadera słońca. Stwórz _program_ za pomocą `shaderLoader.CreateProgram` analogicznie jak tworzy się `program` z **shader_4_1.vert** i **shader_4_1.frag** (parametry wejściowe to ścieżka do shadera wierzchołków i fragmentów **shader_4_sun.vert** i **shader_4_sun.frag**).
|
|
|
|
2. W skomplikowanym projekcie różne typy obiektów rysuje się przy użyciu różnych shaderów, zate potrzebna jest w programie architektura, która na to pozwala. Ustaw odpowiedni _program_ (shadery) do rysowania słońca:
|
|
- funkcja `drawObject` korzysta z globalnej zmiennej `program`, żeby wskazywać shadery do rysowania. Dodaj argument do funkcji, który będziesz przekazywać adres _programu_, który ma być wykorzystany do rysowania.
|
|
- dodaj odpowiedni _program_ w wywołaniach `drawObject`.
|
|
|
|
## Osłabienie światła, tone mapping
|
|
### Zadanie - Osłabienie światła (attenuation)
|
|
Światło pochodzące z punktowego źródła traci na sile wraz z dystansem. Wynika to z tego, że rozprasza się na większą powierzchnię.
|
|
Dodaj ten efekt do shadera. Zamiast brać kolor światła bezpośrednio, podziel go przez kwadrat dystansu od źródła świata.
|
|
|
|
#### Tone mapping
|
|
Przez obecną zmianę scena stała się ciemna. Wymaga to od nas zmiany 'koloru' światła na wartości dużo większe niż do tej pory. Jeśli teraz to zrobimy i przesadzimy w drugą stronę, otrzymamy efekt prześwietlenia. Wynika to z ograniczenia zakresu kolorów do $[0,1]$ (obsługą wyższych wartości nazywamy HDR). Rozwiązaniem jest pracowanie na wartościach powyżej 1 wykorzystanie *tone mappingu* do przeniesienia ich w zakres $[0,1]$. Istnieje wiele wzorów, które są wykorzystywane do tego, jeden z nich to:
|
|
|
|
$$C_{mapped} = 1-e^{-C * E},$$
|
|
gdzie C to kolor sceny a E to parametr ekspozycji (z zakresu $(0,\infty)$, który może być dostosowany w zależności od jasności.
|
|
### Zadanie - Tone mapping*
|
|
Zwiększ siłę słońca przynajmniej stukrotnie. Zaimplementuj powyższą metodę tone mappingu i dodaj możliwość sterowania ekspozycją za pomocą klawiszy 1 i 2.
|
|
|
|
### Zadanie*
|
|
Dodaj drugie źródło oświetlenia w postaci reflektora statku. Reflektor świeci tylko w określonym stożku,dlatego oprócz pozycji `spotPos` posiada również kierunek `spotDir` i kąt świecenia $\phi$. Po obliczeniu dla niego `lightDir` należy sprawdzić, czy iloczyn skalarny pomiędzy `lightDir` a `spodDir` jest większy niż $\cos\phi$ . Jeżeli nie jest, to stożek nie świeci w tym miejscu. Można ułatwić sobie implementację wielu źródeł światła poprzez przeniesienie obliczeń oświetlenia do funkcji, która przyjmuje kierunek światła i siłę naświetlenie.
|
|
|
|
Zwróć uwagę, że SpotDir to co innego niż light Dir w poprzednich zadaniach
|
|
|
|
## Zmień shader słońca na bardziej realistyczny.
|
|
### Zadanie*
|
|
|
|
Na poniższym obrazku jest zdjęcie słońca. Jest ono ciemniejsze na brzegach spróbuj uzyskać podobny efekt. Przydadzą się wektory z poprzednich punktów jak wektor normalny i wektor **V**.
|
|
|
|
|