В мире графического программирования понимание того, как вычислять касательное пространство для каждого фрагмента, имеет решающее значение для достижения реалистичного освещения и детализации поверхности при 3D-рендеринге. В этой статье мы углубимся в концепцию касательного пространства на фрагмент, обсудим ее важность и рассмотрим различные методы ее вычисления. Итак, хватайте свое снаряжение для кодирования и начнем!

Понимание касательного пространства для каждого фрагмента:
Касательное пространство для каждого фрагмента относится к локальной системе координат, которая существует в каждой точке трехмерной поверхности. Он используется для расчета эффектов освещения, таких как диффузные и зеркальные отражения, а также для отображения деталей поверхности, таких как карты нормалей, рельефов и смещений. Вычисляя касательное пространство для каждого фрагмента, мы можем добиться точного освещения и реалистичного внешнего вида поверхности.

Метод 1: вычисление касательного пространства с использованием нормалей вершин и координат текстуры.
Одним из распространенных методов расчета касательного пространства для каждого фрагмента является использование нормалей вершин и координат текстуры. Вот упрощенный фрагмент кода, иллюстрирующий этот подход:

// Vertex shader
varying vec3 fragTangent;
varying vec3 fragBitangent;
void main()
{
    // Calculate tangent and bitangent per vertex
    vec3 edge1 = dFdx(position);
    vec3 edge2 = dFdy(position);
    vec2 deltaUV1 = dFdx(texCoord);
    vec2 deltaUV2 = dFdy(texCoord);
    float f = 1.0 / (deltaUV1.x * deltaUV2.y - deltaUV2.x * deltaUV1.y);
    fragTangent = f * (deltaUV2.y * edge1 - deltaUV1.y * edge2);
    fragBitangent = f * (-deltaUV2.x * edge1 + deltaUV1.x * edge2);
    // Rest of the vertex shader code...
}
// Fragment shader
void main()
{
    // Use the interpolated tangent and bitangent to calculate the normal in tangent space
    vec3 normal = texture2D(normalMap, texCoord).rgb * 2.0 - 1.0;
    mat3 TBN = mat3(fragTangent, fragBitangent, normal);
    vec3 surfaceNormal = normalize(TBN * normal);
    // Rest of the fragment shader code...
}

Метод 2: расчет касательного пространства с использованием геометрических шейдеров.
Другой подход предполагает использование геометрических шейдеров для расчета касательного пространства для каждого фрагмента. Этот метод особенно полезен при работе с тесселяцией или динамической геометрией. Вот упрощенный фрагмент кода, демонстрирующий эту технику:

// Vertex shader
out vec3 fragTangent;
out vec3 fragBitangent;
void main()
{
    // Calculate tangent and bitangent per vertex
    // ...
    // Pass tangent and bitangent to the geometry shader
    gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(position, 1.0);
    fragTangent = tangent;
    fragBitangent = bitangent;
}
// Geometry shader
in vec3 fragTangent[];
in vec3 fragBitangent[];
void main()
{
    // Interpolate tangent and bitangent values per triangle face
    // ...
    // Pass interpolated tangent and bitangent to the fragment shader
    // ...
}
// Fragment shader
void main()
{
    // Use the interpolated tangent and bitangent to calculate the normal in tangent space
    // ...
    // Rest of the fragment shader code...
}

Метод 3. Вычисление касательного пространства с использованием библиотек отображения нормалей.
Если вы предпочитаете использовать существующие библиотеки, многие графические платформы предоставляют встроенные функции для вычисления касательного пространства. Например, в Unity вы можете использовать класс UnityEngine.Tangentили функцию UnityObjectToClipPos. Аналогично, Unreal Engine предоставляет метод FVertexFactory::ComputeTangent. Эти библиотеки абстрагируют сложную математическую задачу расчета касательного пространства, что упрощает интеграцию в ваши проекты.

В этой статье мы исследовали концепцию касательного пространства на фрагмент и обсудили различные методы его вычисления. Независимо от того, решите ли вы вычислить его с использованием нормалей вершин и координат текстур, использовать геометрические шейдеры или использовать существующие библиотеки, понимание и реализация касательного пространства для каждого фрагмента необходимы для достижения реалистичного освещения и деталей поверхности в 3D-рендеринге. Так что смело экспериментируйте с этими методами, чтобы улучшить свои навыки графического программирования!