Posted by Octia Nuraeni | Posted in Pengantar Teknologi Game , Tugas Softskill
Bab
17. Bayangan ( Shading )
"Saya
melukis obyek seperti saya memikirkan mereka, tidak seperti saya melihat
mereka."
- Pablo
Picasso
Objek
dunia nyata dan skenario ini tidak hanya ditentukan oleh geometri, bentuk, dan
struktur. Kami juga sangat sensitif terhadap cahaya tampilan dan tekstur, dan
bagaimana berinteraksi dengan bahan yang berbeda. Bayangkan pantai tanpa
tekstur pasir atau lautan bergelombang yang tidak memantulkan sinar matahari
dengan baik. Sebagian besar dari esensi suatu objek terletak di dalam sifat
shading nya, dan itulah yang bab ini adalah semua tentang.
Dalam
komputer grafis, shading adalah istilah yang sangat luas digunakan untuk
mewakili semua proses yang terlibat dalam memberi warna pada pixel, yang pada
gilirannya merupakan geometri. Bayangan (shading) biasanya dibagi menjadi dua
besar daerah: sintesis bahan dan pencahayaan . Sintesis penawaran
bahan dengan tekstur dan sifat permukaan, dan iluminasi menangani cahaya dan
bayangan.
Bab ini
berkaitan dengan komponen pencahayaan, sedangkan bab berikutnya dikhususkan
untuk teknik berbasis tekstur. Berhati-hatilah, meskipun: Ini adalah pelajaran
yang panjang, dan ratusan halaman bisa ditujukan untuk mereka. Mudah-mudahan,
bab ini akan menunjukkan rutinitas inti, dan imajinasi Anda dan penelitian
pribadi akan mengurus sisanya.
Iluminasi
Dunia Nyata
Sebelum
berbicara tentang algoritma pencahayaan untuk permainan real-time, mari kita
berhenti dan melakukan gambaran tentang bagaimana pencahayaan nyata bekerja.
Ini akan memberikan kita dengan dasar yang kuat dari mana algoritma perangkat
lunak dapat diturunkan.
Cahaya
adalah baik gelombang elektromagnetik dan aliran partikel (disebut foton), yang
melakukan perjalanan melalui ruang dan berinteraksi dengan permukaan yang
berbeda. Dalam ruang hampa, perjalanan cahaya tepat 299.792.458 meter per
detik, atau sekitar 300 juta meter / detik. Kecepatan menurun sebagai media
menjadi lebih resistif terhadap cahaya. Cahaya perjalanan lebih lambat di
udara, bahkan lambat dalam air, dan sebagainya. Sebagai contoh, sebuah tim dari
Harvard dan Stanford Universitas mampu memperlambat sinar cahaya untuk
sesedikit 17 meter per detik (itu sekitar 40 mil per jam) dengan membuatnya
menyeberangi gas atom natrium lewat dingin.
Berasal
cahaya dari permukaan ketika atom mereka terpacu oleh panas, listrik, atau
sejumlah reaksi kimia. Sebagai atom menerima energi, elektron mereka
menggunakan energi yang masuk untuk berpindah dari orbit alami mereka untuk
orbit yang lebih tinggi, banyak seperti lalu lintas di jalur cepat dari jalan
raya. Cepat atau lambat, atom-atom ini akan jatuh kembali ke orbit normal, merilis
sebuah paket energi dalam proses. Paket ini adalah apa yang biasa kita sebut
satu foton. Sebuah foton memiliki tetap panjang gelombang dan frekuensi
tergantung pada jenis perubahan orbital. Frekuensi menentukan warna cahaya dan juga
jumlah energi sinar akan mengangkut. Di sisi energi yang lebih rendah, kita
memiliki lampu merah dengan frekuensi 430GHz. Di ujung cahaya violet, yang
memiliki frekuensi 730GHz. Beberapa warna, seperti
putih,
tidak terkait dengan frekuensi tetap, tetapi dicapai dengan jumlah frekuensi
yang berbeda dalam sinar di sebuah pola interferensi.
Tapi ingat
bahwa cahaya menempati sebagian kecil dari spektrum frekuensi gelombang. Radio gelombang
memiliki energi yang lebih rendah daripada cahaya tampak, sedangkan sinar-x dan
sinar gamma mengangkut lebih banyak energi. Seperti perjalanan cahaya melalui
ruang yang mungkin memukul obyek, dan bagian dari itu mungkin bangkit kembali.
Ketika hit terjadi, foton
memukul
elektron dari obyek, energi mereka, dan akhirnya mereka jatuh kembali,
memancarkan foton baru. Jadi benar-benar apa yang Anda lihat adalah sinar
cahaya sekunder yang sebenarnya dapat menjadi suatu frekuensi yang berbeda (dan
dengan demikian warna) daripada yang pertama karena perubahan orbital dalam
objek. Cara benda menyerap sebagian frekuensi dan dengan demikian menghasilkan
cahaya dalam Pola warna tertentu membuat kita melihat warna pada objek. Dengan
demikian, kita dapat melihat cahaya dari sumber cahaya atau dari suatu objek menyerap
cahaya secara selektif. Tapi perhatikan bagaimana kedua kasus secara internal
sama: Sebuah objek hanya cahaya sekunder source.
Ketika
cahaya hits objek, sinar energi dibagi menjadi tiga komponen utama. Salah satu
bagian yang diserap oleh objek, biasanya meningkatkan tingkat energi dalam
bentuk panas. Anda merasa komponen bahwa setiap kali Anda berbaring di pantai
yang cerah. Sebuah komponen kedua memantul dari permukaan dan menghasilkan
sinar yang dipantulkan cahaya. Itulah yang kami melihat dalam cermin atau bahan
reflektif. Sebuah berkas cahaya ketiga memasuki obyek (biasanya mengubah
kecepatan karena variasi densitas antara kedua media) dan perjalanan melalui
itu. Fenomena ini disebut refraksi atau transmisi , dan contoh
terbaik adalah cahaya yang masuk laut. Perubahan kecepatan membuat cahaya sinar
tikungan, kadang-kadang membuat kita berpikir benda direndam dalam media yang
rusak (seperti jerami dalam segelas dilihat menyamping).
Dengan
memahami penjelasan sebelumnya Anda dapat model fenomena yang paling ringan di
dunia nyata. Shadows, untuk Misalnya, tidak lain adalah oklusi sinar cahaya
oleh obyek buram, yang pada gilirannya membuat daerah (bayangan volume)
terlihat lebih gelap. Glitter di puncak gelombang hanya pantulan sinar matahari
dan hanya terjadi ketika orientasi gelombang memungkinkan untuk refleksi
sempurna. Bahkan fenomena konsentrasi cahaya seperti hotspot disebabkan oleh
lensa atau pola dalam kolam renang dapat dijelaskan. Sebagai sinar membiaskan
memasuki air, mereka membungkuk. Karena banyak sinar membungkuk berkumpul di
daerah kecil, itu berakhir menerima banyak energi, dan muncul dibakar.
Sayangnya, sifat cahaya tidak dapat langsung diangkut ke komputer. Seperti
kebanyakan atom- fenomena tingkat, jumlah data yang diperlukan untuk simulasi
dunia nyata terlalu tinggi menurut standar sekarang.
Menghitung
setiap adegan akan membutuhkan miliaran penembakan foton dan menjiplaknya sekitar
TKP untuk model mereka perilaku akurat. Itulah yang beberapa algoritma render
offline, seperti ray tracing atau radiositas, lakukan. Mereka adalah digunakan
dalam penyaji komersial, tetapi mengambil apa pun dari menit ke hari untuk
membuat satu frame.
Sebuah
Rendering Persamaan Sederhana
Demi
pemrograman game, sekarang kita akan membahas beberapa metode komputasi yang
mensimulasikan cahaya interaksi. Kami akan mulai dengan algoritma relatif mudah
digunakan dalam berbagai aplikasi grafis dan game.
Kemudian
dalam bab ini, kita akan mengeksplorasi lebih terlibat solusi seperti Fungsi
Distribusi reflektansi dua arah (BRDF). Namun untuk memulainya, kita akan
menggunakan model yang menghitung pencahayaan dalam titik sebagai hasil dari
tiga komponen:
- Ambient
. Cahaya yang menyebarkan ke segala arah dan memberikan pencahayaan dasar
ke TKP.
- Berdifusi
. Cahaya yang dipantulkan dari permukaan ke segala arah. Jumlah cahaya
yang dipantulkan sebanding dengan sudut insiden cahaya mencolok permukaan.
Komponen ini adalah sudut pandang independen.
- Specular
. Cahaya yang dipantulkan pada permukaan sepanjang arah cermin, yang
menyumbang refleksi murni antara objek dan sumber cahaya. Seperti semua
cermin, intensitas adalah melihat tergantung.
Berikut
adalah persamaan pencahayaan global untuk model seperti itu:
Color = Ka*ambientColor
+ Kd*diffuseColor*(N dot
L) + Ks*specularColor*(R
dot V)shininess
Persamaan
ini memiliki tiga komponen utama, satu untuk ambien, satu untuk menyebar, dan
satu untuk specular. Mari kita tinjau setiap.
Ka,
Kd , dan Ks melakukan kerusakan
pada komponen pencahayaan. Bahan yang berbeda memiliki proporsi yang berbeda masing-masing,
tetapi ketika ditambahkan, komponen ini harus 1. Nilai-nilai tipikal adalah Ka=0.2,
Kd=0.5, and Ks=0.3, untuk contoh.
Tiga warna
( ambientColor , diffuseColor , dan specularColor
) adalah RGB triplet menentukan
warna tiga komponen. Mereka dapat dihitung dengan menggunakan kriteria yang
berbeda. The ambientColor , misalnya, biasanya putihatau
beberapa warna halus yang ada hubungannya dengan siang hari warna: merah muda
di malam hari, dan seterusnya. Alasan untuk menggunakan cahaya putih sebagai
ambien adalah bahwa, secara umum, kita dapat mengasumsikan bahwa adegan
memiliki banyak gelombang cahaya yang berbeda panjang gelombang, sehingga
mereka menghasilkan cahaya putih bila dikombinasikan. Warna diffuse dan
specular tergantung pada objek yang warna dan warna sumber cahaya.
Komponen
specular, misalnya, biasanya diawali dengan warna sumber cahaya, sedangkan
warna diffuse harus mengambil kedua permukaan dan warna cahaya menjadi
pertimbangan. Secara intuitif, bola putih diterangi dengan cahaya biru tidak
terlihat putih bersih, juga tidak terlihat biru murni. Jadi, dengan menggunakan
teknik berikut umum:
ambientColor
= putih
diffuseColor
= surfaceColor * lightColor
specularColor
= lightColor
Perhatikan
bahwa ini adalah sebuah pendekatan. Alam tidak memiliki komponen ambient per
se, dan mengalikan permukaan dan warna sumber cahaya untuk warna diffuse agak
salah. Tapi hasilnya sangat baik dan dapat dihitung secara real waktu.
Sekarang,
mari kita lihat sisa dari persamaan. Komponen difus adalah skala oleh ( N
dot L ), di mana N adalah objek normal, dan L adalah
vektor dari titik yang dinaungi ke sumber cahaya. Dengan asumsi kedua vektor
adalah dinormalisasi, ini berarti kontribusi difus adalah jumlah total setiap
kali cahaya jatuh pada obyek sejajar dengan yang normal dengan demikian, dengan
cara yang sangat vertikal. Konfigurasi ini dipamerkan dalam Gambar 17.1
.
Gambar
17.1. Vektor normal dan ringan menjelaskan.
Semua
cahaya kemudian bangkit kembali, dan kontribusi menyebar maksimal. Lalu,
kontribusi specular adalah skala oleh ( R dot V ), di mana R
adalah tercermin vektor cahaya, dan V adalah vektor melihat. Konfigurasi
ini dipamerkan di Gambar 17.2
Gambar
17.2. Normal, cahaya, memantulkan cahaya, dan melihat vektor ilustrasi.
Secara
intuitif, cahaya dipantulkan dari permukaan seperti cermin, dan jika kita
angularly dekat dengan cermin yang (itulah yang R dot V artinya),
kita melihat hotspot. Satu-satunya masalah adalah komputasi R dan V
.
Berikut
adalah persamaan:
V = vektor dari titik yang dinaungi dengan posisi kita
R =
2 * N * (N dot L) - L
Formulasi
untuk R dapat memanfaatkan N dot L , yang sudah dihitung
untuk komponen menyebar. Juga, perhatikan bagaimana kita menambahkan eksponen
untuk persamaan. Secara intuitif, benda dipoles menunjukkan lebih kecil, lebih
terfokus highlight, sehingga parameter shininess membantu kita model tersebut.
Berikut
adalah persamaan umum yang menambahkan dukungan untuk berbagai sumber dan
mengambil atenuasi mempertimbangkan:
Color
= Ka*ambientColor + S(1/(kC+kL*di+kQdi2))*(Kd*diffuseColori* (N dot Li) +
Ks*specularColori*(Ri dot V)shininess)
Perhatikan
bahwa, kontribusi ambient independen sumber cahaya global ditambahkan ke jumlah
individu kontribusi masing-masing lampu dalam adegan. Kemudian, masing-masing
lampu memiliki komponen diffuse dan specular. Saya telah menambahkan i subindex
untuk mewakili nilai-nilai yang harus dihitung per ringan, seperti warna dan
vektor refleksi.
Sekarang,
catatan pada faktor redaman: Dalam dunia nyata, cahaya diserap oleh jarak
kuadrat. Hal ini sangat baik cocok untuk jarak yang besar hadir di dunia nyata,
tetapi memberikan hasil yang aneh dalam komputer grafis. Jadi, baik OpenGL dan
DirectX menggunakan model yang sedikit berbeda, dimana redaman adalah persamaan
kuadrat umum berupa:
attenuation=1/(kC+kL*di+kQdi2)
Pada
persamaan, di adalah jarak antara titik yang dinaungi dan sumber cahaya.
Sekarang yang harus kita lakukan adalah tune kC, kL, and kQ
parameter untuk mencapai hasil yang
kita inginkan. Sebuah pelemahan konstan, misalnya, akan
dinyatakan
sebagai (kC!=0, kL=kQ=0). Di ujung, persamaan kuadrat yang meniru dunia nyata
akan dicapai dengan (kC=0, kL=0, kQ!=0). Dan atenuasi linier sangat populer
digunakan oleh banyak permainan dicapai dengan kC=0, kL!=0, kQ=0.
Sebuah
kata peringatan pada jenis-jenis persamaan: Ini adalah model ideal yang tidak
mengambil banyak faktor pertimbangan. Bayangan, misalnya, perlu menggabungkan
geometri adegan ke dalam persamaan. Apakah suatu titik dibayangan dari sumber
cahaya, komponen diffuse dan specular yang baik akan dihilangkan sama sekali
(untuk buram occluders) atau skala oleh nilai opacity (jika objek menyebabkan
bayangan adalah semitransparan). Kita akan berbicara tentang
bayangan
kemudian dalam bab dalam bagian mereka sendiri.
Per-Vertex
dan Per-Pixel Pencahayaan
Cara
pertama untuk menghasilkan efek pencahayaan meyakinkan pada permainan komputer
adalah dengan menggunakan pencahayaan per-titik. Ini jenis pencahayaan dihitung
pada simpul dari geometri saja dan disisipkan di antara. Dengan demikian, untuk
menerangi segitiga kita akan menghitung persamaan pencahayaan di setiap salah
satu dari tiga simpul. Kemudian, perangkat keras akan menggunakan tiga nilai
untuk interpolasi penerangan dari seluruh segitiga.
Persamaan
render dari bagian sebelumnya adalah pilihan yang populer karena dapat
diimplementasikan dengan mudah. Bahkan, varian persamaan yang digunakan secara
internal oleh kedua OpenGL dan DirectX penyaji. Tapi pencahayaan per-titik
hanya dihitung sebagai simpul. Jadi apa yang akan terjadi pada dinding besar
diwakili oleh hanya dua segitiga? Bayangkan bahwa kita menempatkan sumber
cahaya tepat di tengah-tengah quad, jauh dari empat simpul. Di dunia nyata,
sumber cahaya akan menciptakan hotspot sangat cerah di tengah dinding, tetapi
karena kita tidak memiliki simpul di sana, pencahayaan per-titik akan terlihat
benar-benar salah (lihat Gambar 17.3
).
Gambar
17.3. Per-vertex (kiri) dibandingkan
per-pixel (kanan) pencahayaan.
Kita perlu
baik memperbaiki mesh (yang pasti akan berdampak pada bus dan GPU) atau
menemukan cara yang lebih baik untuk naungan.
Di sinilah
shading per-pixel tendangan masuk modus pencahayaan ini tidak menghitung
pencahayaan hanya pada simpul, tetapi dalam setiap pixel di antara, sehingga
pencahayaan memiliki resolusi yang lebih tinggi dan kualitas. Teknik seperti
pemetaan cahaya (Dijelaskan dalam bagian berikutnya) atau shader fragmen
(dijelaskan dalam Bab 21 , "Teknik Prosedural")
digunakan untuk menghitung pencahayaan per pixel.
Tetapi
jika pencahayaan per-vertex adalah apa yang Anda cari, ada dua pilihan. Anda
dapat warna pencahayaan baik precompute dan menyimpannya sebagai warna
per-vertex, atau Anda dapat meninggalkan tugas ini ke OpenGL atau DirectX mesin
pencahayaan. Pertama pendekatan memiliki keuntungan menjadi lebih cepat karena
tidak ada perhitungan yang dilakukan dalam loop real-time (pencahayaan adalah persamaan
mahal). Di sisi lain, kontribusi specular tidak dapat precomputed karena
pandangan tergantung. Pilihan kedua mengambil keuntungan dari saat ini generasi
GPU, yang semua pencahayaan dukungan hardware dan mengubah.
Anda dapat
menemukan contoh lengkap tentang bagaimana pencahayaan bekerja di Lampiran B , "OpenGL", dan Lampiran C , "Direct3D."
Referensi :
Anonim, Core Techniques and Algorithms in Game Programming, http://www.tar.hu/gamealgorithms/ch17lev1sec1.html , 2 September 2009, 6:07:44 PM
