OpenGL: A Primer Second Edition 読書ノート 3/4

著者:

Edward Angel

出版社:

Addison Wesley

発行年:

2004 年

ISBN:

978-0-321-23762-0

Lights and Matrials

Light-Material Interatctions

色

<The colors that we see in the real world are based on the interaction between light coming from light sources and the materials of which the objects are made> (p. 123)

影

<These shadows are determined by light-material interactions> (p. 123)

<Such a calculation is beyond the capabilities of real-time rendering> (p. 123)

<Thus in OpenGL, shading must be done locally on a vertex-by-vertex basis> (p. 123)

<we can do a fairly good job of shading on a vertex-by-vertex basis> (p. 123)

The Phong Model

  • OpenGL では modifed Phong モデルをシェーディング計算に採用している。

  • ある曲面をシェーディングしたいとする。このとき、曲面上の点 P に対して、次の四つのベクトルを導入する。

    L:

    The direction to the light source from P.

    V:

    The viewer is located in the direction V from P.

    N:

    The normal vector at P. 局所的な曲面の向きという捉え方。

    R:

    perfect reflector; <If the surface is highly refective, it will act like a mirror and most of the light will go off in the direction of a perfect reflector R> (p. 125)

    <The vector R can be computed from N and L> (p. 125)

  • Phong モデルは P のシェーディングには、以下の四種類のものが寄与 (contributions) していると考える：

    • diffuse reflections

    • specular reflections

    • ambient reflections

    • emissive light

Diffuse Reflection

  • 曲面に照りつける光は、一部は材質により吸収され、一部は散乱する。この散乱は等方向に発生するので、diffuse の計算は V に依存しない。

  • <Diffuse surfaces tend to look dull like plastic> (p. 125)

Specular Reflection

  • specular = 鏡のように反射する。

  • <a specular surface is smooth and the reflected light is concentrated along the direction R> (p. 126)

  • <The Phong model characterizes this concentration with a shininess coefficient> (p. 126)

  • 光沢のある材質が specular な曲面なのだ。<Specular surfaces include polished materials, such as metals> (p. 126)

  • OpenGL では R を L + V で代用して計算に用いる。

Ambient Reflection

  • 環境反射に関しては、これだけ憶えておけばいいか。 <the light that we see does not depend on any of the four vectors, only on the incoming light and the fraction that is reflected> (p. 126)

Emission

  • 物体が発光するケースもサポート。<we can add on an emissive term that is not affected by incoming light and can help model visible light sources or glowing objects> (p.126)

OpenGL Lighting

  • OpenGL は三種類の光源があることをおさえる。<In OpenGL, we can have point sources, spotlights, and ambient sources> (p. 127)

  • 光源は材質と共通するある性質を有している。 <For each source there are separate diffuse, specular, and ambient RGB parameters> (p. 127)

  • 光源をオンにすることを忘れないこと。<Enabling lighting asks OpenGL to do the shading calculations> (p 127)

  • 一旦カラーのことを忘れよう。<Once lighting is enabled, colors assigned by glColor*() are no longer used> (p. 127)

  • 照光処理では、法線ベクトルの質が死活的に重要となる。<the user generally must supply the normal vectors through glNormal*()> (p. 127)

  • glNormal3(dx, dy, dz)

    (dx, dy, dz):

    法線ベクトルの各成分。

Specifying Light Sources

  • glLight に関する説明に紙幅を割いているが、ポイントは前半部に集中。

  • <The defaults are slightly different for light 0 and all the other sources> (p. 128)

  • ライト 0 は白色なのだが、その他は黒となっている。 <The default value of the position is \((0.0, 0.0, 1.0, 0.0)\). This value is in eye coordinates, so it is behind the default camera> (p. 128)

  • z 軸の正の方向に無限の距離だけ離れたところが初期値。<w component indicates that the source is at infinity because \(w = 0\) indicates it is the representation of direction rather than of a point> (p. 128)

  • スポットライトのカットオフ角の初期値は 180 度だ。

  • 光の減衰を指定するパラメータ (GL_xxx_ATTENUATION) があるが、デフォルトが減衰なしであることを憶えておけば、今はいい。

Light Sources and Transformations

  • glLight で指定する光源の位置と向きは、モデルビュー変換の影響を受ける。

Specifying a Material

  • <Material properties match the lighting properties. A material has reflectively properties for each type of light> (p. 131)

  • glMaterial(face, name, value)

    face:

    GL_FRONT, GL_BACK, GL_FRONT_AND_BACK

    name:

    GL_AMBIENT, etc.

    <Often the ambient and diffuce properties are the same and can be set together using GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE> (p. 132)

  • 材質のアルファ値は、その材質の透明感をシミュレートする用途で使うことができる。

  • 余力があれば、材質のデフォルト値を憶えておく。

  • GL_SHININESS については、<The higher the value of this parameter, the shinier the material appears as the specular highlights are concentrated in a small area near the angle of a perfect reflection> (p. 132) とのこと。

Shading the Rotating Cube

  • ここのコードのポイントは以下の通り。

    • 照光処理を有効にして、利用する光源を有効にする。

      glEnable(GL_LIGHTING);
glEnable(GL_LIGHT0);

    • 現在の材質を設定する。この例では前面だけに指定している。

      glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, currentMaterials->ambient);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, currentMaterials->diffuse);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, currentMaterials->specular);
glMaterialf(GL_FRONT, GL_SHININESS, currentMaterials->shininess);

    • 光源の特徴を設定する。

      glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, currentLighting->ambient);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, currentLighting->diffuse);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, currentLighting->specular);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light0_pos);

Controlling the Shading Calculation

  • 照光処理は大量のリソースを必要とする。ゆえに、通常は前面だけを処理させるように glLightModel を介して設定する。

    • glLightModel(param, value)

      param:

      GL_LIGHT_MODEL_(AMBIENT|LOCAL_VIEWER|TWO_SIDE)

      どうしても両面でシェーディングをしたければ TWO_SIDE を GL_TRUE にセット。

    • オブジェクトが視点から相当距離離れている場合、照光計算を簡略化するべく LOCAL_VIEWER を GL_TRUE にセットすることができる。

    • すべての光源がオフであっても、少量の環境光が存在するように指示できる。 AMBIENT にグローバルな環境光の RGBA 値を指示すればよい。

Smooth Shading

  • GL_SMOOTH がデフォルトの照光処理。

  • 巨大なポリゴンをシェーディングすると、中央部が妙に暗くなる。これを回避するには、ポリゴンを細分化する。

Working with Normals

  • <the quality of our shading depends on the normals> (p. 138)

  • <Smooth shading is sometimes called Gouraud shading> (p. 138) グーローシェーディング。

  • <The lighting calculations require that the normal vector have unit length> (p. 138)

  • 効率が落ちるのを覚悟で、OpenGL に法線の長さを 1 になるようにお願いすることができる。

    glEnable(GL_NORMALIZE);

    しかし、何と言っても最大の注意点は、<Scaling changes the lengths of normals> (p. 139) ということだ。

Transparancy

シェーディングのことをいったん忘れて、ブレンディングの話題になる。

  • OpenGL は RGBA 値の A の値の指定は通常無視するが、ブレンディングを明示的に有効にすれば意味を持つようになる。

    glEnable(GL_BLEND);

  • アルファ値は、通常 opacity を表現する。透明度の逆の概念。<the usual use is to use this value to determine the degree of opacity of a color or material> (p. 139)

  • 半透明オブジェクトの描画に関しては、忘れてはならない重大なポイントがある。オブジェクトの描画順によって、結果が違ってくるということだ。

  • <OpenGL provides a variety of constants that determine how to blend colors and alpha values> (p. 140)

  • source 色と destination 色という考え方。塗り絵みたいなもんだ。<When blending is disabled, the source color simply replaces the destination color> (p. 140)

    結果色 := X * source + Y * destination

  • glBlendFunc(source, destination)

    source:

    source 側のブレンディング係数。e.g. GL_SRC_ALPHA

    destination:

    destination 側のブレンディング係数。e.g. GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA

    よく使う係数はこれ： <When we draw polygonal surfaces, the most common choices for the source factor and destination factors are GL_SRC_ALPHA and ONE_MINUS_SRC_ALPHA, respectively> (p. 140)

    つまり、ソースのアルファ値のみをブレンド率としている。

    glEnable(GL_BLEND);
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

  • ブレンド率をいいかげんに指定すると、最終的な値が \({[0, 1]}\) の外にいってしまうことがある。デプスバッファがここでも活躍する。 <We can use the depth buffer to keep track of whether or not a polygon is in front of all polygons that have been rendered so far> (p. 141)

    <OpenGL provides a function glDepthMask(), which can make the depth buffer read-only (GL_FALSE) or writeable (GL_TRUE)> (p. 141)

  • アルファ値 (opacity) が 1.0 であるオブジェクトを描く前にデプスマスクを有効にし、半透明なオブジェクトを描く前には read-only にすればよい。

Images

この章ではフレームバッファとピクセルの概念を頭に叩き込む。

Pixels and Bitmaps

  • <The frame buffer is really a collection of buffers. For each x, y value in screen space, there is a corresponding group of bits that can be thought of as a generalized picture element or pixel> (p. 143)

  • 明らかに註が重要。用語の意味の汲み方を間違えぬこと。ピクセルという用語に与える意味は、OpenGL のほうが一般の CG の教科書より優れている気がする。<OpenGL uses color buffer to refer to these bits and the frame buffer (or framebuffer) is the collection of all the buffers, including the color buffer(s) and the depth buffer> (p. 143)

  • <we need the ability to read and write rectangular arrays of pixels> (p. 143)

  • Figure 7.1 の <n x m frame buffer shown with k parallel bit planes> を憶える。

  • <we shall use the term pixel to denote a group of bits> (p.144)

  • ピクセルを直にいじる操作のことを bit block transfer という。これを縮めて bitblt というのだ。

  • Figure 7.2. Vertices パイプラインと Pixels パイプラインがラスタライズステージで合流する。

    Vertices --> Geometric Processing --> Rasterization --> Display
                                        |
  Pixels --> Pixel Operations ----------|

  • <We have to warry about the differences in how pixels are formatted in the application program> (p. 145)

  • <a pixel might represent an RGB color, an RGBA color, a luminance value, or a depth value> (p. 145)

Bitmaps

Displaying a Bitmap

  • glBitmap 関数の説明。ラスタポジションの状態を変更することに言及している。

Mixing Bitmaps and Geometry

  • gluOrtho2D と glRasterPos2i のコンビ技について説明している。二次元的に描画するときの基本的な考え方。

  • <One solution to this problem is to use two sets of viewing conditions, one for the geometry and the other for the bitmaps> (p. 148)

Colors and Masks

ビットマップをマスクという観点で説明する。glColor と glClearColor のチェッカーボードの例を挙げている。

  • ここは理解しにくい：<OpenGL stores both a present drawing color and a present raster color> (p. 149)

    <The checkerboard is drawn in red because the raster color is the color that was in effect the last time that the function glRasterPos2i() was executed> (p. 149)

Drawing Modes

  • Figure 7.6 の模式を憶えること。Logic Op の回路。

  • glLogicOp(op) を利用するには glEnable で有効にする必要がある。

    glEnable(GL_COLOR_LOGIC_OP);

  • <If we use XOR, wesimply draw the same object a second time at the same place that we drew it the first time. The second draw undoes the first> (p. 151)

  • <Applications of this simple idea include moving a cursor around the screen, rubberbanding lines and rectangles> (p.152)

Reading and Writing Pixels

  • Figure 7.7 Pixel pipeline を意識する。

    Processor                   Pixel        Pixel       Pixel       Frame
Memory    --> Unpacking --> Transfer --> Mapping --> Testing --> Buffer
   |                                                                |
   |<--------------------------- Packing <--------------------------|

Writing Pixels

  • glDrawPixels(w, h, format, type, array)

    w, h:

    ピクセル矩形のサイズ

    format:

    GL_UNSIGNED_BYTE とか

    type:

    GL_UNSIGNED_BYTE_3_3_2 とか

    array:

    描画したいデータ

Reading Pixels

  • glReadPixels(x, y, w, h, format, type, array)

    x, y:

    フレームバッファのどの位置からデータを読み込むのかを指示

  • dithering について言及しているが、よくわからなかった。

Copying Pixels

  • glCopyPixels はフレームバッファ内でピクセルをコピーするというのがポイント。glCopyPixels はデータをシステムメモリに運ばないので、glReadPixels と glDrawPixels を組み合わせてコピーをするよりも、パフォーマンスが優れている。

Selecting Buffers

  • シングルバッファモードで読み書きが起こるのは front color buffer で、ダブルバッファモードでは back color buffer で起こる。

  • OpenGL は実装によってはさらなる color buffer をサポートしている。どのバッファを用いるのかを選択するのには、glReadBuffer と glDrawBuffer 関数を利用する。

Pixel Store Modes

  • どのようにしてプロセッサーメモリにバイトが配列されているのかを OpenGL に教えてやる必要があるとする。この場合、glPixelStore を利用する。

  • バイトオーダーの話題か。

Displaying a PPM Image

いまさら PPM を扱うことはあるまい。

Using Luminace

  • Luminance とは <images that consist only of shades of gray> (p. 163) のこと。モノクロ画像だ。

  • RGB 値から luminance の値を計算する式は次で与えられるらしい。

    \begin{align*} L = .30R + .59G + .11B \end{align*}

    明らかに G 成分が支配的。

Pixel Mapping

  • カラーバッファの RGB ピクセルの値を補正することができる。

  • glPixelTransfer(name, value) - pixel transfer mode を指定する。

  • glPixelMap(map, size, array) - 補正テーブルをセットする。

    map:

    GL_PIXEL_MAP_I_TO_R など。

    size:

    2 のベキ乗でなければならない。

Pixel Zoom

  • ピクセルブロックのスケーリングには glPixelZoom を用いる。

    • glPixelZoom(sx, sy)

      sx, sy:

      スケール係数。負数も許す。負数の場合はピクセルの並び順が逆転する。

  • そしていまいち使い方がわからない gluScaleImage 関数。イメージをトリムするのかストレッチするのかがわからない。

    • gluScaleImage(format, win, hin, typein, imagein, wout, hout, typeout, imageout)

Image Processing in OpenGL

  • ヒストグラムやフィルタリング。高度な内容らしい。

  • Convolution という単語がフィルタに関連する理由が、次の文のおかげでわかった。 <Convolution or filtering that replaces a pixel value by a linear function of the surrounding pixel values> (p. 167)

  • Imaging Pipeline

    Pixels   Color                      Color      Color      Color                 Pixels
    -->  Lookup --> Convolution --> Lookup --> Matrix --> Lookup --> Histogram -->
         Table                      Table                 Table