2.2模型与材质.pdf

在计算机图形学中，模型与材质是构建虚拟世界的基础元素。模型定义了物体的几何形状，而材质则赋予这些形状视觉上的真实感。本篇笔记将深入探讨这两个关键概念。模型通常由一系列顶点构成，这些顶点通过线段连接形成多边形面，从而构建出三维形状。在渲染过程中，顶点着色器(Vertex Shader)负责处理顶点信息，它可以移动顶点以实现顶点动画，使得物体能够动态变化。片段着色器(Fragment Shader)则主要处理像素级别的渲染，例如实现基于物理的渲染(PBR)和光照模型，使物体表面呈现出逼真的光照效果。在几何构建中，UV坐标用于将纹理映射到模型表面，使得物体表面有纹理图案。在建模软件中，我们可以手动设计和展开UV，然后生成各种贴图，如环境贴图、法线贴图、金属度贴图等，以增强材质的表现力。模型的格式有多种，比如OBJ和FBX。OBJ格式简单且通用，但不支持顶点色和LOD（细节层次）。而FBX格式则更复杂，包含顶点色信息，并能支持LOD，使得模型在不同距离下有不同的细节级别，优化渲染性能。材质的基础属性包括漫反射、镜面反射和折射。漫反射对应物体吸收光线后的颜色，镜面反射则模拟物体光滑表面的反射效果，折射描述光线穿过透明或半透明物体时的行为。菲涅尔定律决定了物体表面反射和折射的程度。粗糙的镜面反射可以通过在法线贴图上引入微小的偏移来模拟，使得反射不那么集中。在折射中，光不是简单照亮一个点，而是影响一个区域，这通常通过预渲染其他物体并将其“投射”到该区域上来实现。多层材质可以同时反映光源信息和地表颜色，模拟复杂的表面效果，如次表面散射，常用于表现皮肤、玉石等材料的质感。顶点动画通过改变顶点位置实现，而顶点色可以用于阴影效果或者加粗线条。值得注意的是，顶点数目会直接影响动画的平滑度。在光栅化阶段，重心坐标用于插值计算，得到像素级别的颜色和法线信息。面法线是多个顶点法线的平均值，用于计算表面的光照效果。在NPR（非真实感渲染）中，平滑的法线处理能避免法线断裂，提升视觉一致性。模型和材质的组合使用是计算机图形学中创造真实感图像的关键，它们涉及到顶点处理、纹理映射、光照模型、反射和折射等诸多技术，而这些技术的发展不断推动着虚拟世界的视觉表现力。