Общее описание приложения Назначение

BRDF demo help

v1.1

Общее описание приложения

Назначение

Приложение BRDF demo предназначено для демонстрации основных современных техник представления материалов на основе физических моделей с использованием двулучевой функции отражательной способности (англ. Bidirectional reflectance distribution function — BRDF). Рассматривается реализация этих техник в приложении к компьютерной графике реального времени.

В приложении реализованы следующие техники (эффекты):

Модель Ламберта рассеянного света (Lambert diffuse only)
Модель бликов Фонга (Phong specular only)
Полная модель Фонга (Phong lighting ambient+diffuse+specular)
Модель Торренса-Спэрроу (Torrance-Sparrow)
Модель Блинна (Blinn)
Модель Кука-Торренса (Cook-Torrance gaussian distributionm, beckman distribution)
Модель Орена-Наяра (Oren-Nayar)
Модель Миннеарта (Minnaert)
HTSG (He,Torrance,Sillion,Greenberg)
Heidrich-Seidel
Модель Варда (Ward) (изотропный, анизотропный)
Модель Ашихмина-Ширли (Ashikhmin-Shirley)

Приложение имеет дружественный пользовательский интерфейс, использующий традиционные элементы управления.

Требования к системе

Для корректной работы приложения компьютер должен удовлетворять следующим минимальным требованиям:

Операционная система: Windows XP SP3

Процессор: Intel Pentium 4 или аналогичный

Оперативная память: 1 Gb

Видеокарта: с поддержкой Shader Model 3.0

Монитор: с поддержкой разрешения 1024*768 и выше

Описание интерфейса

Главное окно

Для начала работы с приложением запустите BRDFDemo.exe из основной папки.

Рисунок : главное окно программы

На рисунке 1 приведён вид главного окна приложения BRDF demo.

В левом верхнем углу располагаются основные элементы управления. С помощью ниспадающих меню можно выбрать требуемую технику и трехмерную модель, на которой она будет демонстрироваться.

Переключение эффектов

Для переключения используемых эффектов выберите необходимый в первом ниспадающем меню. Эффект может иметь свои дополнительные настройки, интерфейс их настройки будет доступен справа.

Рисунок : переключение эффектов

Переключение объектов

Для переключения между различными объектами, доступными для демонстрации, используйте второе ниспадающее меню.

Доступные объекты: «Гном», «Полусфера», «Тор».

Рисунок : переключение объектов

Режим полусферы

Рисунок : Режим полусферы

В режиме полусферы визуализируется количество отражаемой энергии от данной точки О с нормалью, перпендикулярной обозначенной красной сеткой плоскости (см рисунок 18), во всех направлениях из этой точки. Визуализация производится по следующему принципу: для каждой вершины полусферы с центром в точке О ее позиция сдвигается радиально пропорционально значению выбранной BRDF: pos *= f(Light, View), где в качестве Light берется направление источника света, а в качестве View – вектор от текущей вершины до точки О.

Управление сценой

Приложение позволяет поворачивать, удалять/приближать модель, а так же изменять направление источника света.

Управление моделью

Для поворота зажмите левую кнопку и двигайте мышь до достижения требуемого положения модели. После этого левую кнопку мыши можно отпустить.

Рисунок : поворот модели

Для приближения/удаления модели прокрутите колёсико мыши на требуемое количество оборотов от себя/к себе.

Рисунок : приближение/удаление модели

Управление источником света

Текущее направление источника света показывает жёлтая стрелка.

Для изменения направления источника света зажмите правую кнопку мыши и двигайте мышь до достижения требуемого положения модели. После этого левую кнопку мыши можно отпустить.

Рисунок : изменение направления источника света

Описание эффектов

Обозначения

единичный вектор нормали в точке

единичный вектор направления на источник света

единичный вектор отражения луча от поверхности в точке

единичный вектор направления на камеру

биссектор векторов на источник света и камеру

косинус угла между нормалью к поверхности в точке и направлением на источник света.

косинус угла между нормалью к поверхности в точке и направлением на камеру

Модель Ламберта рассеянного света

Свет, падающий в точку, одинаково рассеивается по всем направлениям полупространства. Таким образом, освещенность в точке определяется только плотностью света в точке поверхности, а она линейно зависит от косинуса угла падения.

Рисунок : Ламберт

Модель бликов Фонга

Вектор отражения луча в точке вычисляется как:

коэффициент блеска. Чем более гладкая поверхность, тем больше коэффициент. В программе этому параметру соответствует слайдер SpecExp. Так же можно задать цвет бликов.

Рисунок : Фонг (только блики)

Полная модель Фонга

Global Illumination = Ambient Light + Diffuse Light + Specular Light

Ambient Lighting = C_a*[G_a + sum(Att_i*Spot_i*L_ai)]

C_a			Material ambient color
G_a			Global ambient color
Att_i			Light attenuation of the ith light
Spot_i			Spotlight factor of the ith light
L_ai			Light ambient color of the i-th light

Diffuse Lighting = C_d*sum[L_d*(N^.L)*Att*Spot]

C_d			Diffuse color
L_d			Light diffuse color
N			Vertex normal
L			Direction vector from object vertex to the light
Att			Light attenuation
Spot			Spotlight factor

Рис. 4.4

Cos^p(f) = (V,R)^p

cg4_9

Рис. 4.5

H=L+N

Specular Lighting = C_s * sum[L_s * (N • H)^P * Att * Spot]

C_s			Specular color
N			Vertex normal
H			Half way vector. See the section on the halfway vector
^P			Specular reflection power. Range is 0 to +infinity
L_s			Light specular color
Att			Light attenuation value
Spot			Spotlight factor

Рисунок : Фонг

Здесь тоже можно менять показатель степени бликовой компоненты и цвет бликов.

Модель Торренса-Спэрроу

В данной модели считается что угол $https://chart.apis.google.com/chart?cht=tx&chl=\theta$ между нормалью к микрограни и нормалью ко всей поверхности является случайной величиной, подчиняющейся закону распределения Гаусса:

За затенение отдельных микрограней отвечает функция

Коэффициент Френеля

)

Данная формула коэффициента Френеля не используется для моделирования. Аппроксимацию данной формулы см. Cook-Torrance

Рисунок : Торренс-Спэрроу

Параметр Roughness характеризует распределение углов микрограней. Чем он больше, тем более шероховатой кажется поверхность.

Модель Блинна

Еще одна модель, дающая бликовое освещение:

Рисунок : Блинн

Модель Кука-Торренса

Одной из наиболее продвинутых и согласованных с физикой является модель освещение Кука-Торранса. Она также основана на модели поверхности состоящей из микрограней, каждая из которых является идеальным зеркалом. Модель учитывает коэффициент Френеля и взаимозатенение микрограней.

В данной модели (как и в модели Орен-Найара) считается что угол $https://chart.apis.google.com/chart?cht=tx&chl=\theta$ между нормалью к микрограни и нормалью ко всей поверхности является случайно величиной, подчиняющейся закону распределения Бэкмена(или Гаусса):

За затенение отдельных микрограней отвечает функция

Аппроксимация функция Френеля, которая отражает изменение интенсивности отраженного specular компоненты света

-коэффициент Френеля при нормальном падении

Рисунок : Кук-Торренс

Модель Орен-Найара

Модель Орен-Найара основана на предположении, что поверхность состоит из множества микрограней, освещение каждой из которых описывается моделью Ламберта. Модель учитывает взаимное закрывание и затенение микрограней и также учитывает взаимное отражение света между микрогранями.

Параметры модели определяются по следующим формулам:

Параметр $https://chart.apis.google.com/chart?cht=tx&chl=\sigma$ отвечает за неровность поверхности, чем он больше, тем более неровной является поверхность.

Рисунок : Модель Орен-Найара

Roughtness соответствует параметру $https://chart.apis.google.com/chart?cht=tx&chl=\sigma$ .

Модель Миннеарта

Эта модель была предложена для моделирования освещения планет, также довольно хорошо она подходит для моделирования некоторых видов ткани, например вельвета.

Рисунок : Минеарт

С помощью Exp можно менять параметр k. Так же можно меня базовую интенсивность света.

Heidriche-Seidel

Модель основана на модели Фонга. Используется для реалистичного моделирования волос, хромированного металла и т.д.

тангент

Рисунок : Heidrich-Seidel

С помощью Exp можно менять параметр n. Так же можно меня цвет бликов.

Модель Варда

Изотропная

Еще одной достаточно простой моделью, поддерживающей блики, является изотропная модель Ward. Бликовое освещение определяется по следующей формуле:

В этой формуле параметр k отвечает за неровность поверхности.

Рисунок : Вард изотропный

С помощью Roughness можно менять параметр k.

Анизотропная

Также существует анизотропный вариант модели освещения Варда, параметр k как и ранее отвечает за неровность поверхности.

тангент

Рисунок : Вард анизотропный

С помощью Roughness можно менять параметр k.

Модель Ашихмина-Ширли

Рисунок : Ашихмин-Ширли

Одной из наиболее сложных анизотропных моделей освещения является модель Ашихмина-Ширли. Ниже приводятся формулы для расчета диффузной и бликовой компонент.

Слайдеры X coefficient и Y coefficient соответствуют n_x и n_y.