Description

计算机图形学与混合现实研讨会
GAMES: Graphics And Mixed Environment Seminar

注意:
• 任何更新或更正都将发布在论坛上，因此请偶尔检查一下。
• 论坛链接：http://games-cn.org/forums/forum/graphics-intro/。
• 你必须独立完成自己的作业。
• 你可以在论坛上发布帖子求助，但是发布问题之前，请仔细阅读本文档。
• 在截止时间之前将你的作业提交到 SmartChair 上。

1 总览
在这次编程任务中，我们会进一步模拟现代图形技术。我们在代码中添加了
Object Loader(用于加载三维模型), Vertex Shader 与 Fragment Shader，并且支持了纹理映射。而在本次实验中，你需要完成的任务是:
1. 修改函数rasterize_triangle(const Triangle& t) in rasterizer.cpp: 在此处实现与作业 2 类似的插值算法，实现法向量、颜色、纹理颜色的插值。
2. 修改函数get_projection_matrix() in main.cpp: 将你自己在之前的实验中实现的投影矩阵填到此处，此时你可以运行./Rasterizer output.png normal 来观察法向量实现结果。
3. 修改函数phong_fragment_shader() in main.cpp: 实现 Blinn-Phong 模型计算 Fragment Color.
4. 修改函数 texture_fragment_shader() in main.cpp: 在实现 Blinn-Phong 的基础上，将纹理颜色视为公式中的 kd，实现 Texture Shading Fragment
Shader.
5. 修改函数 bump_fragment_shader() in main.cpp: 在实现 Blinn-Phong 的基础上，仔细阅读该函数中的注释，实现 Bump mapping.
6. 修改函数 displacement_fragment_shader() in main.cpp: 在实现 Bump mapping 的基础上，实现 displacement mapping.
2 开始编写
2.1 编译与使用在课程提供的虚拟机上，下载本次实验的基础代码之后，请在 SoftwareRasterizer 目录下按照如下方式构建程序：
$ mkdir build
$ cd ./ build $ cmake . .
$ make
1
2
3
4
这将会生成命名为 Rasterizer 的可执行文件。使用该可执行文件时，你传
入的第二个参数将会是生成的图片文件名，而第三个参数可以是如下内容：
• texture: 使用代码中的 texture shader. 使用举例: ./Rasterizer output.png texture
• normal: 使用代码中的 normal shader. 使用举例: ./Rasterizer output.png normal
• phong: 使用代码中的 blinn-phong shader.
使用举例: ./Rasterizer output.png phong
• bump: 使用代码中的 bump shader. 使用举例: ./Rasterizer output.png bump
• displacement: 使用代码中的 displacement shader. 使用举例: ./Rasterizer output.png displacement
当你修改代码之后，你需要重新 make 才能看到新的结果。
2.2 框架代码说明
相比上次实验，我们对框架进行了如下修改：
1. 我们引入了一个第三方.obj 文件加载库来读取更加复杂的模型文件，这部分库文件在OBJ_Loader.h file. 你无需详细理解它的工作原理，只需知道这个库将会传递给我们一个被命名被 TriangleList 的 Vector，其中每个三角形都有对应的点法向量与纹理坐标。此外，与模型相关的纹理也将被一同加载。注意：如果你想尝试加载其他模型，你目前只能手动修改模型路径。
2. 我们引入了一个新的 Texture 类以从图片生成纹理，并且提供了查找纹理颜色的接口：Vector3f getColor(float u, float v)
3. 我们创建了 Shader.hpp 头文件并定义了 fragment_shader_payload，其中包括了 Fragment Shader 可能用到的参数。目前 main.cpp 中有三个 Fragment Shader，其中 fragment_shader 是按照法向量上色的样例 Shader，其余两个将由你来实现。
4. 主渲染流水线开始于rasterizer::draw(std::vector<Triangle> &TriangleList). 我们再次进行一系列变换，这些变换一般由 Vertex Shader 完成。在此之后，我们调用函数rasterize_triangle.
5. rasterize_triangle函数与你在作业 2 中实现的内容相似。不同之处在于被设定的数值将不再是常数，而是按照 Barycentric Coordinates 对法向量、颜色、纹理颜色与底纹颜色 (Shading Colors) 进行插值。回忆我们上次为了计算 z value 而提供的 [alpha, beta, gamma]，这次你将需要将其应用在其他参数的插值上。你需要做的是计算插值后的颜色，并将 Fragment Shader 计算得到的颜色写入 framebuffer，这要求你首先使用插值得到的结果设置 fragment shader payload，并调用 fragment shader 得到计算结果。
2.3 运行与结果
在你按照上述说明将上次作业的代码复制到对应位置，并作出相应修改之后
（请务必认真阅读说明），你就可以运行默认的 normal shader 并观察到如下结果：

实现 Blinn-Phong 反射模型之后的结果应该是：

实现纹理之后的结果应该是：

实现 Bump Mapping 后，你将看到可视化的凹凸向量:

实现 Displacement Mapping 后，你将看到如下结果:

3 评分与提交
评分:
• [5 分] 提交格式正确，包括所有需要的文件。代码可以正常编译、执行。
• [10 分] 参数插值: 正确插值颜色、法向量、纹理坐标、位置 (Shading Position) 并将它们传递给 fragment_shader_payload.
• [20 分]Blinn-phong 反射模型: 正确实现 phong_fragment_shader 对应的反射模型。
• [5 分] Texture mapping: 将 phong_fragment_shader 的代码拷贝到 texture_fragment_shader, 在此基础上正确实现 Texture Mapping.
• [10 分] Bump mapping 与 Displacement mapping: 正确实现 Bump mapping 与 Displacement mapping.
• [Bonus 3 分] 尝试更多模型: 找到其他可用的.obj 文件，提交渲染结果并
把模型保存在 /models 目录下。这些模型也应该包含 Vertex Normal 信息。
• [Bonus 5 分] 双线性纹理插值: 使用双线性插值进行纹理采样, 在 Texture 类中实现一个新方法 Vector3f getColorBilinear(float u, float v) 并通过 fragment shader 调用它。为了使双线性插值的效果更加明显，你应该考虑选择更小的纹理图。请同时提交纹理插值与双线性纹理插值的结果，并进行比较。
提交:
1. 当你完成作业后，请清理你的项目，记得在你的文件夹中包含 CMakeLists.txt 和所有的程序文件 (无论是否修改)；
2. 同时，请新建一个 /images 目录，将所有实验结果图片保存在该目录下；
3. 再添加一个 README.md 文件写清楚自己完成了以上七个得分点中的哪几点 (如果完成了，也请同时提交一份结果图片)，并简要描述你在各个函数中实现的功能;
4. 最后，将上述内容打包，并用“姓名 Homework3.zip”的命名方式提交到 SmartChair 平台。
5. 未清理 /build, /.vscode 或是未按格式建立 /images、未提交 README.md 将会受到 -2 分的处罚。
平台链接：http://smartchair.org/GAMES2020Course-YLQ。