java - 计算模型照明的法线会导致模型不再渲染

Question

我正在用 java 开发一个简单的渲染引擎，它可以将 OBJ 文件渲染到屏幕上。我目前正在研究照明系统，该系统用于照亮屏幕上出现的模型。在介绍照明系统之前，我能够轻松地将模型加载到屏幕上:

但是，当我向屏幕添加灯光时，模型不再显示。我使用以下着色器来渲染灯光:

顶点着色器:

#version 150

in vec3 position;
in vec2 textureCoordinates;
in vec3 normals;

out vec2 passTextureCoordinates;
out vec3 surfaceNormal;
out vec3 toLightVector;

uniform mat4 transformationMatrixTextured;
uniform mat4 projectionMatrixTextured;
uniform mat4 viewMatrixTextured;
uniform vec3 lightLocation;

void main(void){
    vec4 worldPosition = transformationMatrixTextured * vec4(position,1.0);
    gl_Position = projectionMatrixTextured * viewMatrixTextured * worldPosition;
    passTextureCoordinates = textureCoordinates;

    surfaceNormal =  (transformationMatrixTextured * vec4(normals,0.0)).xyz;
    toLightVector =  lightLocation - worldPosition.xyz;
}

片段着色器:

#version 150

in vec2 passTextureCoordinates;
in vec3 surfaceNormal;
in vec3 toLightVector;

out vec4 out_Color;

uniform sampler2D textureSampler;
uniform vec3 lightColor;

void main(void){

    vec3 unitNormal = normalize(surfaceNormal);
    vec3 unitLightVector = normalize(toLightVector);

    float nDot1 = dot(unitNormal, unitLightVector);
    float brightness = max(nDot1, 0.0);
    vec3 diffuse = brightness * lightColor;

    out_Color = vec4(diffuse, 1.0) * texture(textureSampler,passTextureCoordinates);

}

我一直在使用tutorial series by ThinMatrix帮助我创建这个程序。然而，一个很大的区别是我还希望能够加载以编程方式创建的模型，而不是仅使用 OBJLoader 加载的模型。因此，我必须创建一种方法来计算给定顶点数组和索引数组的法线。

我解决这个问题的方法是这样的:

/**
 * Sum.
 *
 * @param arg1 the arg 1
 * @param arg2 the arg 2
 * @return the vector 3 f
 */
public static Vector3f sum(Vector3f arg1, Vector3f arg2) {
    return new Vector3f(arg1.x + arg2.x, arg1.y + arg2.y, arg1.z + arg2.z);
}

/**
 * Subtract.
 *
 * @param arg1 the arg 1
 * @param arg2 the arg 2
 * @return the vector 3 f
 */
public static Vector3f subtract(Vector3f arg1, Vector3f arg2) {
    return new Vector3f(arg1.x - arg2.x, arg1.y - arg2.y, arg1.z - arg2.z);
}

/**
 * Cross product.
 *
 * @param arg1 the arg 1
 * @param arg2 the arg 2
 * @return the vector 3 f
 */
public static Vector3f crossProduct(Vector3f arg1, Vector3f arg2) {
    return new Vector3f(arg1.y * arg2.z - arg2.y * arg1.z, arg2.x * arg1.z - arg1.x * arg2.z, arg1.x * arg2.y - arg2.x * arg1.y);
}

/**
 * Gets the normals.
 *
 * @param vertices the vertices
 * @param indexes the indexes
 * @return the normals
 */
public static float[] getNormals(float[] vertices, int[] indexes) {
    vertices = convertToIndexless(vertices, indexes);
    Vector3f tmp;
    float[] tmpArray = new float[vertices.length / 3];
    int tmpArrayCounter = 0;
    for(int i = 0; i < vertices.length; i+=9) {
        Vector3f edge1 = subtract(new Vector3f(vertices[i], vertices[i + 1], vertices[i + 2]) , new Vector3f(vertices[i + 3], vertices[i + 4], vertices[i + 5]));
        Vector3f edge2 = subtract(new Vector3f(vertices[i], vertices[i + 1], vertices[i + 2]) , new Vector3f(vertices[i + 6], vertices[i + 7], vertices[i + 8]));

        tmp = crossProduct(edge1, edge2);
        tmpArray[tmpArrayCounter++] = tmp.getX();
        tmpArray[tmpArrayCounter++] = tmp.getY();
        tmpArray[tmpArrayCounter++] = tmp.getZ();
    }
    return tmpArray;
}

/**
 * Convert to indexless.
 *
 * @param vertices the vertices
 * @param indexes the indexes
 * @return the float[]
 */
private static float[] convertToIndexless(float[] vertices, int[] indexes) {
    float[] tmpArray = new float[indexes.length * 3];
    for(int i = 0; i < indexes.length; i++) {
        tmpArray[i * 3]     = vertices[indexes[i] * 3];
        tmpArray[i * 3 + 1] = vertices[indexes[i] * 3 + 1];
        tmpArray[i * 3 + 2] = vertices[indexes[i] * 3 + 2];
    }
    return tmpArray;
}

我的这种方法基于 this question关于计算法线。正如我之前所说，在向程序添加灯光时我无法渲染模型。我的计算有问题吗？

Answer 1

长描述以找出根本问题

老实说我不明白什么意思the model does no longer show up 。因此，我将发布一些提示，让您了解如何了解正在发生的情况。

• 渲染的模型是全黑的吗？

  • 可能有多个问题来源需要检查:

    • 打开一些背景颜色(例如蓝色)看看结果如何。
      • 模型是不可见的，所以都是蓝色的吗？模型的法线是错误的。可以开启双面渲染，关键字face culling找出答案。如果它使用背面渲染进行渲染，那么模型的法线就是一个问题
      • 模型是否可见，但模型渲染为黑色且背景为蓝色？
        • 光线的任一方向都是错误的(很可能)
        • 我建议更改着色器，以便始终存在一些最小量的光，即所谓的环境光。然后每个物体都会得到最小的闪电，即使相对于光源有一个不好的角度，如 intensity = max(dot(n, l), ambience);在顶点着色器中使用 ambience作为参数和 n物体的归一化法线和 l标准化的光方向。在片段着色器中我使用 gl_FragColor = vec4(intensity*tc.r,intensity*tc.g,intensity*tc.b,tc.a);与 tc是 vec4 纹理坐标。这样物体总是有一些光
        • 或者着色器代码中的一些错误(乍一看无法发现问题，但谁知道呢？)好吧，我为此使用了模型法向光方向的点积，在您的代码中似乎有十字产品。
    • 纹理未使用/接受/分配给模型，或者 vector 仅返回一个全黑的像素位置

  • 着色器代码是否有错误？编译错误被记录为异常？

    • 修复它；)

我猜问题是使用叉积和错误的光线方向的混合(我一开始在我的模型中也遇到了同样的问题)

编辑对点积的另一条评论:点积是找出强度所需的。它的几何定义dot(a,b)=length(a)*length(b)*cos(alpha)哪里alpha是 a 和 b 之间的角度。

• 如果模型法线与光线方向相同，那么您需要完整的强度。

• 如果模型法线与光线方向正交(90 度)，那么您需要 0 强度(或环境强度)

• 如果模型法线与光线方向成 60 度，那么您需要一半强度(或环境强度)

等等

编辑2 - 因为点积现在可能会产生负结果 max(dot(a,b),0)会将其剪掉(用于相反方向)。为了快速营造氛围，您可以将其更改为 max(dot(a,b),0.3)

摘要:

• 使用点积计算强度。

• 使用环境光来保留一些光线，即使相对于光源的角度不好。