Основы и техники освещения в WebGL лучшие практики и советы

Модели освещения и модели затенения

Сначала, введём понятие модели освещения, которая описывает, как свет исходит от источника и взаимодействует с объектами сцены. В WebGL используется множество моделей, начиная от простых до более сложных, каждая из которых занимает своё место в зависимости от требований проекта.

Модель затенения определяет, как вычислять цвета пикселей на основе освещения. Примеры таких моделей включают плоское, затенение Гуро и затенение Фонга. Каждая из них имеет свои особенности и применяется в разных контекстах.

Модель	Описание	Применение
Плоское	Выбор цвета по нормали поверхности. Простая и быстрая техника.	Подходит для объектов с чёткими границами.
Затенение Гуро	Интерполяция цветов по вершинам. Создаёт более плавные переходы.	Используется для плавных, округлых объектов.
Затенение Фонга	Интерполяция нормалей по вершинам, что позволяет получать более реалистичные блики.	Подходит для материалов с высокими отражающими свойствами.

Рассмотрим, как реализовать направленные источники света в WebGL. Для начала создадим шейдер, который будет использовать uniform-переменные для передачи информации о направлении света и его интенсивности.

Пример вершинного шейдера (vssource):

attribute vec3 aVertexPosition;
uniform vec3 uReverseLightDirection;
void main(void) {
gl_Position = vec4(aVertexPosition, 1.0);
}

Фрагментный шейдер для расчёта освещения:

precision mediump float;
uniform vec3 uReverseLightDirection;
uniform sampler2D uTexture;
varying vec2 vTextureCoord;
void main(void) {
vec3 normal = normalize(vTextureCoord);
float light = dot(normal, uReverseLightDirection);
vec4 textureColor = texture2D(uTexture, vTextureCoord);
gl_FragColor = vec4(textureColor.rgb * light, textureColor.a);
}

Теперь добавим параметры света в наш шейдерный program:

var shaderProgram = gl.createProgram();
gl.attachShader(shaderProgram, vertexShader);
gl.attachShader(shaderProgram, fragmentShader);
gl.linkProgram(shaderProgram);
var uReverseLightDirectionLocation = gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uReverseLightDirection");
gl.useProgram(shaderProgram);
gl.uniform3fv(uReverseLightDirectionLocation, [0.5, 0.7, 1.0]);

Таким образом, мы могли создать основную схему освещения, которая взаимодействует с объектами сцены, создавая реалистичные тени и световые эффекты. Это лишь небольшая часть того, что можно достичь, комбинируя различные модели освещения и затенения в WebGL.

Основные принципы моделей освещения

При создании реалистичной 3D-графики важно правильно реализовать модели освещения, которые позволят объектам выглядеть естественно и объемно. Эти модели основаны на взаимодействии света и материалов, из которых состоят объекты сцены. Давайте рассмотрим ключевые принципы, лежащие в основе различных моделей освещения, чтобы понять, как они могут быть применены на практике.

Для начала определим основные элементы, которые участвуют в моделировании освещения:

• Свет: Источник света, который взаимодействует с поверхностями объектов. Он может быть направленным, точечным или рассеянным.
• Материал: Свойства поверхности объектов, такие как цвет, отражательная способность и текстура.
• Нормали: Вектора, перпендикулярные поверхности объектов, которые играют ключевую роль в расчете освещения.

Одной из основополагающих задач является вычисление направления света относительно нормалей поверхности. В этой связи мы часто используем векторные операции:

• Нормализация векторов: Чтобы получить единичный вектор, нормализуем вектора нормалей и направления света.
• Расчёт угла: Скалярное произведение нормализованных векторов даёт значение косинуса угла между ними, что позволяет судить о степени освещённости поверхности.

В шейдерной программе на GLSL можно определить различные источники света и методы их обработки. Рассмотрим пример кода вершинного шейдера:

uniform vec3 u_reverseLightDirection;
attribute vec3 aVertexPosition;
attribute vec3 aVertexNormal;
varying vec3 vLighting;
void main(void) {
// Позиционирование вершин
gl_Position = vec4(aVertexPosition, 1.0);
// Нормализация вектора нормалей
vec3 normal = normalize(aVertexNormal);
// Расчёт освещения
float directional = max(dot(normal, u_reverseLightDirection), 0.0);
vLighting = vec3(1.0, 1.0, 1.0) * directional;
}

Таким образом, мы можем задать направление света и нормали объектов, чтобы расчитать освещенность поверхности. Это лишь один из примеров использования моделей освещения.

Кроме направленного света, можно добавить точечные источники и рассеянное освещение:

• Точечные источники: Освещают объекты во всех направлениях от одной точки, что требует расчета затухания света с расстоянием.
• Рассеянное освещение: Создает эффект мягкого, равномерного света, подобного свету от неба в пасмурный день.

Эти принципы могут быть модифицированы и комбинированы для достижения различных визуальных эффектов. В итоге, понимание и использование моделей освещения позволяет создавать более реалистичные и привлекательные сцены в графике.

Техники моделирования затенения в WebGL

• Фонгова модель затенения: Эта модель основана на расчете освещения для каждой вершины и интерполяции значений для каждого пикселя. Используется для создания плавных градиентов света и тени на поверхности объектов.
• Затенение Гуро: Применяется для более быстрой отрисовки, поскольку свет рассчитывается только в вершинах, а затем интерполируется между ними. Это приводит к менее точным, но более производительным результатам.
• Затенение на основе нормалей карт: Использует карты нормалей для создания эффекта высокодетализированных поверхностей без увеличения количества полигонов. Особенно полезно для текстурирования.

Для реализации этих техник в WebGL, необходимо использовать различные шейдеры и uniform-переменные. Например, добавление направленного источника света требует создания переменной u_reverselightdirection, которая будет связана с источником света в шейдере. Таким образом, можно модифицировать расчет освещенности в зависимости от положения наблюдателя и объектов.

// Получение местоположения uniform-переменной
var lightDirectionLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_reverseLightDirection");
// Установка значения uniform-переменной
gl.uniform3fv(lightDirectionLocation, [0.5, 0.7, 1]);
// Пример шейдера с направленным источником света
const vertexShaderSource = `
attribute vec4 aVertexPosition;
attribute vec3 aNormal;
uniform mat4 uWorldViewProjection;
uniform mat4 uWorld;
uniform vec3 u_reverseLightDirection;
varying vec3 vLighting;
void main() {
gl_Position = uWorldViewProjection * aVertexPosition;
// Вычисление нормали в мировых координатах
vec3 normal = mat3(uWorld) * aNormal;
normal = normalize(normal);
// Вычисление освещения
float light = max(dot(normal, u_reverseLightDirection), 0.0);
vLighting = vec3(1, 1, 1) * light;
}
`;

При использовании точечного источника света необходимо учитывать его местоположение в мировых координатах (worldLocation). Это позволяет моделировать, как свет рассеивается и затеняет объекты вокруг себя, создавая более реалистичные эффекты.

// Пример шейдера с точечным источником света
const fragmentShaderSource = `
precision mediump float;
varying vec3 vLighting;
void main() {
gl_FragColor = vec4(vLighting, 1.0);
}
`;

Для улучшения визуализации можно использовать текстуры и техники наложения. Например, добавив текстуру с помощью sampler2D и функции generateMipmap, можно добиться более детализированного отображения поверхностей. Это важно для создания реалистичных материалов и добавления глубины сцене.

• Текстурирование: Применение текстур позволяет добавить детализацию и сложность к моделям, создавая впечатление более сложных материалов и поверхностей.
• Мипмаппинг: Использование generateMipmap помогает улучшить качество текстур при различных уровнях масштабирования, уменьшая артефакты и улучшая производительность.

Используя эти техники, вы сможете создать убедительные эффекты затенения, которые оживят ваши сцены и придадут им реалистичность. Моделирование затенения в WebGL предоставляет большие возможности для творческого самовыражения и позволяет добиться высококачественных визуальных результатов.

Построение нормали для вершин

Для начала, введём понятие нормали. Нормаль — это вектор, перпендикулярный поверхности. В каждом из точек поверхности нормаль будет направлена от неё. Для построения нормалей в WebGL нам нужно использовать соответствующие шейдеры и математические операции.

Прежде всего, необходимо определить координаты каждой вершины и создать векторные нормали. В этом поможет функция mat4create, которая используется для матричных преобразований. Позиция вершины avertexposition и её нормаль преобразуются в мировые координаты с помощью матрицы worldlocation.

Для вычисления нормалей можно использовать произведение произведения векторов. Векторное произведение позволяет находить векторы, перпендикулярные исходным. Это очевидно необходимо, чтобы правильно отобразить направления света и тени. Значения нормалей нужно добавить в шейдер, который будет их обрабатывать.

В GLSL, языке шейдеров, можно использовать тип данных vec3 для определения нормалей. Шейдер будет учитывать нормали при расчётах освещения. Например, u_reverselightdirection — это направление света, обратное нормали, которое мы можем задать в шейдере.

Для того чтобы нормали отображались корректно, нужно задать правильные значения параметров текстурирования. Параметры texture_mag_filter и glnearest помогают выбирать наилучшие значения для текстур. Эти параметры свяжут нормали с вершинами и помогут более точно отображать поверхность объектов.

Таким образом, построение нормалей для вершин — это важный шаг, который позволяет создавать реалистичные поверхности и объекты. Изучив теоретические основы и практические методы, вы сможете добиваться лучших результатов в создании 3D-объектов и сцен.

Принципы вычисления нормалей для вершин

При работе с трёхмерной графикой, нормали играют важную роль в определении взаимодействия объектов со светом и создании реалистичных эффектов. Правильное вычисление нормалей для вершин позволяет достичь желаемого визуального результата, делая объекты более детализированными и реалистичными.

• Нормали – это вектора, которые перпендикулярны поверхности объекта в определенной точке.
• Они используются для вычисления того, как свет взаимодействует с поверхностью, создавая эффекты затенения.

Для вычисления нормалей вершин можно использовать несколько подходов. Один из самых распространённых методов – это усреднение нормалей всех треугольников, к которым принадлежит данная вершина. Таким образом, нормаль вершины будет представлять собой среднее значение нормалей всех смежных поверхностей.

Алгоритм вычисления нормалей для вершин

1. Сначала для каждой грани объекта вычисляются нормали. Это можно сделать путём нахождения вектора произведения (кросс-произведения) между двумя сторонами треугольника.
2. Далее нормали граней усредняются для каждой вершины, к которой они принадлежат.
3. Полученные нормали нормализуются, то есть их длина приводится к единице.

Код для вычисления нормалей

Для реализации данного алгоритма на языке GLSL можно использовать следующий фрагмент кода:

attribute vec4 aVertexPosition;
attribute vec3 vertexNormal;
uniform mat4 uPMatrix;
uniform mat4 uMVMatrix;
uniform mat4 uNMatrix;
varying vec3 vTransformedNormal;
varying vec4 vPosition;
void main(void) {
vPosition = uMVMatrix * aVertexPosition;
vTransformedNormal = (uNMatrix * vec4(vertexNormal, 1.0)).xyz;
gl_Position = uPMatrix * vPosition;
}

В этом коде:

• aVertexPosition – позиция вершины в пространстве.
• vertexNormal – нормаль вершины.
• uPMatrix и uMVMatrix – матрицы проекции и модель-вида соответственно.
• uNMatrix – матрица нормалей, используемая для трансформации нормалей в мировом пространстве.
• Переменные vTransformedNormal и vPosition используются для передачи данных между вершинным и фрагментным шейдерами.

Таким образом, вы можете добиться точных и реалистичных эффектов взаимодействия света с объектами, используя правильно вычисленные нормали для вершин.

Практические советы

• При моделировании объектов старайтесь избегать слишком острых углов, так как это может привести к неверным значениям нормалей.
• Для сложных моделей используйте нормальные карты (normal maps), которые позволяют деталировать поверхность объекта без увеличения количества вершин.
• Всегда нормализуйте нормали, чтобы избежать неожиданных визуальных эффектов.

Использование нормалей в фрагментных шейдерах

Для начала, необходимо передать нормали в фрагментный шейдер с помощью uniform-переменной. Это можно сделать, используя команды glGetUniformLocation(program, "u_normal") и glUniform3fv(location, value). В этом случае нормали будут доступны в шейдере и могут использоваться для различных вычислений.

Рассмотрим основные этапы работы с нормалями:

• Создание и привязка буфера нормалей с помощью gl.static_draw.
• Передача нормалей в вершинный шейдер и их интерполяция для использования во фрагментном шейдере.
• Вычисление направления света и его отражения с использованием нормалей и позиции наблюдателя.

Вершинный шейдер отвечает за первоначальную обработку нормалей. Используя vssource, нормали передаются из буфера и нормализуются для дальнейших вычислений. Это необходимо, чтобы гарантировать, что все векторы имеют единичную длину, что важно для точных расчетов.

Во фрагментном шейдере нормали используются для расчета различных эффектов освещенности. Один из ключевых аспектов – это вычисление скалярного произведения между нормалью и направлением света. Это произведение позволяет определить, насколько сильно освещена поверхность, что в свою очередь влияет на финальный цвет пикселя.

Пример кода для фрагментного шейдера может выглядеть следующим образом:

uniform vec3 u_reverseLightDirection;
void main() {
vec3 normal = normalize(v_normal);
float light = dot(normal, u_reverseLightDirection);
gl_FragColor = vec4(light, light, light, 1.0);
}

Таким образом, используя нормали, можно добиться реалистичного отображения материалов и эффектов. Кроме того, нормали могут использоваться для создания различных видов затенения, таких как затенение Фонга или Блинна-Фонга. Для этого необходимо учитывать параметры материала, такие как жесткость и интенсивность.

Важно помнить, что нормали должны быть правильно нормализованы в каждом шейдере, иначе результат может быть далек от ожидаемого. Использование функций типа normalize и dot помогает избежать ошибок и получить корректные значения.

Видео:

Webgl Three.js Урок 1. Основы