tinyrenderer-渲染器着色

整理了代码，创建了一个相机类，控制镜头

class Camera
{
public:
	Camera(Vec3f cameraPos, Vec3f target, Vec3f up):cameraPos_(cameraPos), target_(target), up_(up) {}
	Matrix getView();
	Matrix getProjection();
private:
	Vec3f cameraPos_;
	Vec3f target_;
	Vec3f up_;
};

以及一个专门渲染的Rasterizer类

class Rasterizer
{
public:
	Rasterizer(Matrix viewport, int width, int height);
	void setModelView(Matrix modelView) { modelView_ = modelView; }
	void setProjection(Matrix projection) { projection_ = projection; }
	void draw(Model* model, IShader& shader, TGAImage& image);
	Matrix getProjection() { return projection_; }
	Matrix getModelView() { return modelView_; }
private:
	void triangle(Vec4f* pts, IShader& shader, TGAImage& image);

	Matrix viewport_;
	Matrix modelView_;
	Matrix projection_;
	std::vector<float> zBuffer_;
	int width_;
	int height_;
};

一个着色器结构，分别处理顶点着色，和片段着色

struct IShader
{
	virtual Vec3i vertex(int iface, int vertIdx) = 0;
	virtual bool fragment(Vec3f bar, TGAColor& color) = 0;
};

顶点着色是对模型的三角形顶点进行变换处理
片段是对三角形内部的每个点进行循环插值

void Rasterizer::draw(Model* model, IShader& shader, TGAImage& image) {
    for (int i = 0; i < model->faceSize(); i++) {
        Vec4f screencoords[3];
        for (int j = 0; j < 3; j++) {
            screencoords[j] = viewport_ * shader.vertex(i, j);
        }
        triangle(screencoords, shader, image);
    }
}

void triangle(Vec4f* pts, IShader& shader, TGAImage& image) {
	//...
	for (int x = minX; x < maxX; x++) {
		for (int y = minY; y < maxY; y++) {
			//...
	        bool discard = shader.fragment(Vec3f(alpha, beta, gamma), color);
	        //...
	     }
	}
}

在这里插入图片描述
出现了破面，破面问题基本上就是数据精度的误差，应该是更新了新的geometry.h文件，导致一些值的浮点数和整数的选择出现了新的误差
调整了一下

试了下教程的片段着色器，并且调整了下光源方向

flat shading

struct FlatShader :public IShader
{
    Vec3f vert[3];
    virtual Vec4f vertex(int iface, int vertIdx) {

        vert[vertIdx] = model->vert(model->face(iface)[vertIdx]);
        return rasterizer->getProjection() * rasterizer->getModelView() * embed<4>(vert[vertIdx]);
    }
    virtual bool fragment(Vec3f barycentricCoordinates, TGAColor& color) {
        Vec3f n = cross((vert[1] - vert[0]), (vert[2] - vert[0])).normalize();
        float I = std::max(0.f, n * light_dir);
        color = TGAColor(255, 255, 255) * I;
        return false;
    }
};

在这里插入图片描述
Phong shading

struct PhongShader :public IShader
{
    Vec3f n[3];
    virtual Vec4f vertex(int iface, int vertIdx) {
        n[vertIdx] = model->nverts(model->nface(iface)[vertIdx]);
        Vec3f v = model->vert(model->face(iface)[vertIdx]);
        return rasterizer->getProjection() * rasterizer->getModelView() * embed<4>(v);
    }
    virtual bool fragment(Vec3f barycentricCoordinates, TGAColor& color) {
        Vec3f normal = n[0] * barycentricCoordinates.x + n[1] * barycentricCoordinates.y + n[2] * barycentricCoordinates.z;
        float I = std::max(0.f, normal * light_dir);
        color = TGAColor(255, 255, 255) * I;
        return false;
    }
};

在这里插入图片描述
gouraud 纹理着色

struct GouraudTexShader :public IShader
{
    Vec3f intensity;
    mat<2, 3, float> uv;
    virtual Vec4f vertex(int iface, int vertIdx) {
        Vec3f n = model->nverts(model->nface(iface)[vertIdx]);
        intensity[vertIdx] = std::max(0.f, n * light_dir);
        Vec3f v = model->vert(model->face(iface)[vertIdx]);
        uv.set_col(vertIdx, model->tverts(model->tface(iface)[vertIdx]));
        return rasterizer->getProjection() * rasterizer->getModelView() * embed<4>(v);
    }
    virtual bool fragment(Vec3f barycentricCoordinates, TGAColor& color) {
        float I = intensity * barycentricCoordinates;
        Vec2f texcoords = uv * barycentricCoordinates;
        color = model->getDiffuseColor(texcoords.x, texcoords.y) * I;
        return false;
    }
};

在这里插入图片描述
flat纹理着色

struct FlatTexShader :public IShader
{
    Vec3f vert[3];
    mat<2, 3, float> uv;
    virtual Vec4f vertex(int iface, int vertIdx) {
        vert[vertIdx] = model->vert(model->face(iface)[vertIdx]);
        uv.set_col(vertIdx, model->tverts(model->tface(iface)[vertIdx]));
        return rasterizer->getProjection() * rasterizer->getModelView() * embed<4>(vert[vertIdx]);
    }
    virtual bool fragment(Vec3f barycentricCoordinates, TGAColor& color) {
        Vec3f n = cross((vert[1] - vert[0]), (vert[2] - vert[0])).normalize();
        float I = std::max(0.f, n * light_dir);
        Vec2f texcoords = uv * barycentricCoordinates;
        color = model->getDiffuseColor(texcoords.x, texcoords.y) * I;
        return false;
    }
};

在这里插入图片描述
Phong纹理着色

struct PhongTexShader :public IShader
{
    Vec3f n[3];
    mat<2, 3, float> uv;
    virtual Vec4f vertex(int iface, int vertIdx) {
        n[vertIdx] = model->nverts(model->nface(iface)[vertIdx]);
        Vec3f v = model->vert(model->face(iface)[vertIdx]);
        uv.set_col(vertIdx, model->tverts(model->tface(iface)[vertIdx]));
        return rasterizer->getProjection() * rasterizer->getModelView() * embed<4>(v);
    }
    virtual bool fragment(Vec3f barycentricCoordinates, TGAColor& color) {
        Vec3f normal = n[0] * barycentricCoordinates.x + n[1] * barycentricCoordinates.y + n[2] * barycentricCoordinates.z;
        float I = std::max(0.f, normal * light_dir);
        Vec2f texcoords = uv * barycentricCoordinates;
        color = model->getDiffuseColor(texcoords.x, texcoords.y) * I;
        return false;
    }
};

在这里插入图片描述
使用法线贴图shader

struct normalTexShader :public IShader {
    mat<2, 3, float> uv;
    virtual Vec4f vertex(int iface, int vertIdx) {
        Vec3f v = model->vert(model->face(iface)[vertIdx]);
        uv.set_col(vertIdx, model->tverts(model->tface(iface)[vertIdx]));
        return rasterizer->getProjection() * rasterizer->getModelView() * embed<4>(v);
    }
    virtual bool fragment(Vec3f barycentricCoordinates, TGAColor& color) {
        Vec2f texcoords = uv * barycentricCoordinates;
        Vec3f normal = model->getNormal(texcoords.x, texcoords.y);
        float I = std::max(0.f, normal * light_dir);
        color = model->getDiffuseColor(texcoords.x, texcoords.y) * I;
        return false;
    }
};

在这里插入图片描述
输出图片和教程源码的输出有些不一致

根据第5节课末尾的内容，假设模型资源里有某个点是(x,y,z,1)，这个点对应的向量是(A,B,C,0)。
原本

如果此时模型的顶点数据经过了一些矩阵变换，可能导致与最初法线贴图记录的法线不再垂直。此时则需要将取出来的法线也做一些矩阵变换，使最终着色时的法线仍与对应顶点垂直
在这里插入图片描述
如图，右边的括号对应的是顶点的变换，则左边对应的是法向量所需的变换

如图M的逆转置矩阵就是法向量所需的变换
当变换矩阵M是均匀缩放/旋转和平移时，则等于对应的逆转置矩阵，但由于变换矩阵通常包含透视投影，所以一般不相等

struct normalTexShader :public IShader {
    mat<2, 3, float> uv;
    Matrix MVPT = (rasterizer->getProjection() * rasterizer->getModelView()).invert_transpose();
    //....
        Vec3f n = proj<3>(MVPT * embed<4>(normal)).normalize();
        float I = std::max(0.f, n * light_dir);
        //...
    }
};

在这里插入图片描述
和官方图片还是有误差，对比了下代码发现我的写法和教程源码有两点不同
1.教程的光源方向是对比模型的相对位置，光源方向也做了MVP变换

shader.uniform_M = Projection * ModelView;
Vec3f l = proj<3>(uniform_M * embed<4>(light_dir)).normalize();

我的光源位置是绝对位置
逻辑上都是对的，只是取决与具体需求
另一点不同的是，教程源码的法线取值，rgb对应的是zyx

Vec3f Model::normal(Vec2f uvf) {
    Vec2i uv(uvf[0]*normalmap_.get_width(), uvf[1]*normalmap_.get_height());
    TGAColor c = normalmap_.get(uv[0], uv[1]);
    Vec3f res;
    for (int i=0; i<3; i++)
        res[2-i] = (float)c[i]/255.f*2.f - 1.f;
    return res;
}

我取的法线值，rgb就是对应xyz

Vec3f Model::getNormal(float x, float y) {
    TGAColor n = normalTex_.get(x * normalTex_.get_width(), y * normalTex_.get_height());
    Vec3f res;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        res[i] = n[i] / 255.f * 2 - 1.f;
    }
    return res;
}

这里为了检查后续的显示正确与否，我也先改成教程的逻辑处理
镜面反射

 Vec3f r = (n * (n * l * 2.f) - l).normalize();
 float spec = pow(std::max(r.z, 0.0f), model->getSpecularColor(texcoords.x, texcoords.y));
 float diff = std::max(0.f, n * l);
 TGAColor c = model->getDiffuseColor(texcoords.x, texcoords.y);
 color = c;
 for (int i = 0; i < 3; i++) color[i] = std::min<float>(5 + c[i] * (diff + .6 * spec), 255);

这里教程的逻辑其实比较模糊，没完整的解释光强，反射系数那些布林冯模型公式里的参数
在这里插入图片描述

正常公式里的颜色系数*光强，在教程里是直接自定义了一些值，环境光的是5，漫反射的是1，镜面反射的是0.6.然后公式里的两个cos值就是教程里求出来的diff和spec，镜面反射贴图记录的就是镜面反射公式的指数p
在这里插入图片描述
项目跟随练习代码地址