如何将平面阴影应用于 RGB 颜色？

Posted 2023-02-22

【中文标题】如何将平面阴影应用于 RGB 颜色？

【英文标题】：How to apply flat shading to RGB colors?

【发布时间】：2015-05-26 07:09:33

【问题描述】：

我正在创建一个小型 3D 渲染应用程序。我决定对我的三角形使用简单的平面着色 - 只需计算面法线和光源之间角度的余弦值，并以此来缩放光强度。

但我不确定我应该如何将阴影系数应用于我的 RGB 颜色。

例如，想象某个与光源成 60 度角的表面。 cos(60°) = 0.5，所以我应该只保留发射光的一半能量。

我可以简单地按该系数缩放 RGB 值，如下面的伪代码所示：

double shade = cos(angle(normal, lightDir))
Color out = new Color(in.r * shade, in.g * shade, in.b * shade)

但即使在较小的角度下，生成的颜色也会变得太暗。经过一番思考，这似乎是合乎逻辑的——我们的眼睛感知到光能的对数（这就是为什么我们在明亮的白天和夜晚都能看到的原因）。并且 RGB 值已经代表了对数比例。

我的下一个尝试是使用线性/对数洞察力。理论上：

output energy = lg(exp(input energy) * shade)

这可以简化为：

output energy = lg(exp(input energy)) + lg(shade)
output energy = input energy + lg(shade)

所以这样的阴影只是将阴影系数的对数（负数）添加到 RGB 值：

double shade = lg(cos(angle(normal, lightDir)))
Color out = new Color(in.r + shade, in.g + shade, in.b + shade)

这似乎可行，但它正确吗？在真实的渲染管线中是如何做到的？

【参考方案1】：

颜色 RGB 向量乘以阴影系数

您最初假设的余弦值。对数缩放由目标成像设备和人眼完成

如果你的颜色太深，那么可能的原因是：

余弦或角度值被截断为整数 或者您的管道没有线性比例输出（一些伽马校正可以做到这一点） 或者你的某个地方有错误 或者您的角度和余弦使用不同的度量（弧度/度） 您忘记将环境光系数添加到阴影值中 您的向量是相反的或错误的（目视检查它们，请参阅第一个链接了解如何） 您的矢量不在同一个坐标系中（光线通常在 GCS 中，而 LCS 模型中的法线矢量，因此您需要将其中至少一个转换为另一个的坐标系）

cos(angle) 本身通常不通过余弦计算

当您将所有数据作为向量时，只需使用点积

double shade = dot(normal, lightDir)/(|normal|.|lightDir|)

如果向量是单位大小，那么您可以放弃按大小划分...这就是正常和光向量被归一化的原因...

一些相关问题和注意事项

Normal shading 这可能会启发一两件事（对于初学者） Normal/Bump mapping 查看片段着色器并搜索 dot mirrored light 查看稍微复杂的照明方案

GCS/LCS表示全局/局部坐标系

【讨论】：

感谢您的全面回答！但是你能再解释一下第二点吗？我四处阅读，发现线性 RGB 和 sRGB 之间的区别——后者似乎是前者的日志版本。我认为我提供给绘图 api 的 RGB 值是 sRGB，因此是我的问题。

确实，java 的 Color 文档明确声明它使用 sRGB。

@Rogach 首先忘记 RGB/sRGB，由于硬件功能和与旧东西的兼容性，大多数 API 使用对数输出方案。如果您创建从 0.0 到 1.0 的线性渐变，则阴影是线性的，因此您渲染的 RGB 值可以视为线性。实际上，我们的感官具有对数刻度，而硬件是以对数刻度输出的方式构建的（我的意思是，缩放是由硬件和眼睛完成的）这是因为很长一段时间以来，我们并不知道我们的在光度测量出现之前，视力也是对数的。这就是为什么恒星尺度大小是一样的......

@Rogach 和成像设备已经构建/使用，因此行业保持原样（由于兼容性），只是术语略有变化