如何使用GLSL着色器使用OpenGL在头发颗粒上均匀地应用光度？

Question

我使用头发粒子系统用Blender 2.66创造了一个发型。这看起来像这样：

如您所见，亮度已应用于线条片段。转换后，我将我的发型网格导出为OBJ文件格式。我在我的程序中解析它，渲染看起来像这样：

粒子被绘制为GL_LINES（在我的OBJ文件中，每面有2个顶点）。

在另一个测试程序中，我想用简单的线段来测试亮度。这是我的顶点缓冲区：

static GLfloat vertices[6] =
{
    0.000000f, 0.000000f, -2.000000f,
    0.000000f, 0.000000f, 2.000000f
};

static GLfloat normals[6] =
{
    0.000000f, 1.000000f, 0.000000f,
    0.000000f, 1.000000f, 0.000000f
};

static GLfloat colors[6] =
{
    0.000000f, 0.000000f, 1.000000f,
    0.000000f, 0.000000f, 1.000000f
};

结果（线在X轴正交的原点旋转 - >我称为glLineWidth（5.0f）以获得更好的可见结果）：

通过实时动画，我可以看到光度是正确的，但只是在线的特定侧面。这是正常的，因为线段应该具有无穷大的法线并且我只有两个法线（每个顶点一个）。我想要精确地确定这两个法线是等式Y = 0的平面的法线 - > n（0.0,1.0,0.0）。所以我想知道是否可以为每个顶点添加几个法线？我相信OpengL无法做到这一点。但也许另一种方式是可能的。这是一张图，解释了我想要做什么来计算线段的每个部分的正确亮度：

就像你在第一张照片上看到的那样，Blender可以在线段上实时计算亮度。此外，它是这张图片上的OpenGL渲染。所以我相信这样做是可能的。我尝试重复相同的线段坐标两次，但对于第二行，我应用相反的法线n2（0.0，-1.0,0.0），但它不起作用。 “另一面”是“黑暗”。两个多边形也是一样的。目前，我使用GLSL着色器。我认为可以使用像Geometry着色器或tesselation着色器这样的特殊着色器。也许CUDA语言是必需的。但我不确定。

有人可以帮助我吗？

Answer 1

这是一个复杂的话题。您应首先阅读头发照明上的Marschner's 2003 paper。一旦你感到困惑，请查看此模型的nvidia's explanation（第23.3节，头发着色），其中包括漂亮的图表和着色器代码。

希望这有帮助！

Answer 2

ananthonline已经为您提供了一些参考资料，但对于简单的线束照明模型来说，这些都是过度杀伤。

如果您的要求不是那么先进，您可以将Phong照明模型应用到线束上。你可能会问“等什么，绳子没有法线，但你需要那些Phong？”嗯，是的，不。线段具有无限数量的法线，也称为平面。或者换句话说，线条本身是平面的法线。

phong模型从朗伯散射模型的假设开始，即“更多”垂直于入射角，它越亮。描述这个的数学是

I(phi) = I_max * cos( phi )

或者，用一个向量代替phi，用cos( angle(↑a,↑b) ) = ↑a · ↑b代替||↑a|| = ||↑b|| = 1

I(↑a, ↑b) = I_max * ↑a · ↑b

现在让↑c · ↑b = 0，||↑c|| = 1，然后↑a · ↑b = 1 - ↑a · ↑c。但↑c · ↑b = 0是正常的定义。这意味着对于方向↑b的线段和光源↑c的方向，您可以将强度写为

I(↑b, ↑c) = I_max * (1 - ↑b · ↑c)

这是线条的Phong照明模型。事实上它也正是Blender所做的。

更新：镜面反射

您只需要眼睛位置来计算镜面反射。你也可以这样做，假设线股的法线是垂直于线股的光方向向量。让↑b再次成为线段的方向，↑c指向光线的方向。然后应用Gram-Schmidt正交归一化方法，您可以通过

推导出原位法线↑n

↑n = normalize(↑c - ↑b·↑c)

使用它你可以建立一套通常的

- vertex position
- vertex "normal"
- light direction
- light half direction

在一个线条顶点着色器中，并将其传递给常规的Phong片段着色器并像往常一样进行数学运算。