シェーディング: コンピューター ビジョンにおける画像シェーディングの探求

By Fouad Sabry

シェーディングとは

シェーディングとは、暗さのレベルを変化させることによって 三次元 モデルまたはイラストにおける奥行き知覚を表現することを指します。シェーディングは、オブジェクトの表面上の光の局所的な動作を近似しようとするものであり、光のグローバルな動作に分類されるシャドウ マッピングやシャドウ ボリュームなどの影を追加する手法と混同しないでください。

メリット

(I) 次のトピックに関する洞察と検証:

第 1 章: シェーディング

第 2 章: グーロー シェーディング

第 3 章: フォン シェーディング

第 4 章: ピクセルごとのライティング

第 5 章: ブリンフォン反射モデル

第 6 章: コンピュータ グラフィックス ライティング

第 7 章: シェーダー

第 8 章: 頂点法線

第 9 章: テクスチャ マッピング

第 10 章: レンダリング(コンピューター グラフィックス)

(II) シェーディングに関する一般のよくある質問に答える。

(III) 多くの分野でのシェーディングの使用例の実例。

この本の対象者

専門家、学部生および大学院生、愛好家、趣味人、およびあらゆる種類のシェーディングに関する基本的な知識や情報を超えたいと考えている人。

• Language: 日本語
• Publisher: 10億人の知識があります [Japanese]
• Release date: May 5, 2024

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第 1 章: シェーディング

シェーディングとは、3Dモデル(3Dコンピュータグラフィックスの分野内)やドローイング(視覚芸術の分野内)に、暗さのレベルを調整することで奥行き知覚を描写することです。シェーディングは、シャドウ マッピングやシャドウ ボリュームなど、ライトのグローバル動作のカテゴリに分類されるシャドウを作成する手法と混同しないでください。

暗い領域にはメディアの密度を高くしたり濃いシェードで適用したり、明るい領域には密度を低くしたり明るいシェードで適用したりすることは、描画におけるシェーディングの古典的な方法です。紙に奥行きのある外観を作成するには、明るい部分と暗い部分があるオブジェクトなどの明るいパターンが役立ちます。

クロスハッチングなど、さまざまな近接性の垂直線のグリッドを使用して領域をシェーディングするシェーディング手法は多数あります。ラインの近接度が高いほど、領域は暗く表示されます。同様に、線間の距離が長くなると、領域が明るく見えます。

パウダーシェーディングは、スケッチで使用されるシェーディングテクニックです。このアプローチでは、つまずき粉と紙の切り株を使用して絵を描きます。これは色を付けることができます。スタンピングパウダーは滑らかで、反射する粒子がありません。粉末が紙に残るように、小さな粒子が紙上に存在する必要があります。

コンピュータグラフィックスにおけるシェーディングとは、3Dシーン内のオブジェクト/サーフェス/ポリゴンの色を、サーフェスのライトに対する角度、ライトからの距離、カメラに対する角度、およびマテリアルプロパティ(双方向反射率分布関数など)に基づいて変更し、フォトリアリスティックな効果を実現するプロセスです。

レンダリング処理では、シェーダーと呼ばれるプログラムがシェーディングを行います。

シェーディングは、1 つまたは複数の光源に対するサーフェスの角度に基づいて、3D モデル内の面の色を変更します。

最初の画像ではボックスの面がレンダリングされていますが、すべて同じ色相です。さらに、エッジ線が表示され、画像が見やすくなりました。

2 番目の画像は、エッジ ラインが表示されていない同一のモデルを示しています。1 つのボックス面がどこで終了し、別の面が始まるかを判断するのは困難です。

3 番目の画像ではシェーディングが有効になっており、よりリアルで顔を簡単に区別できます。

シェーダは、出力カラーを計算するときに、サーフェス上の指定されたスポットで反射される光の量を決定するために、照明モデルを使用します。さまざまな照明モデルをさまざまなシェーディング手法と組み合わせることができます。照明は反射する光の量を定義しますが、シェーディングはこの情報を使用して最終的な結果を計算する方法を決定します。たとえば、特定の場所の照明のみを計算し、残りを補間することができます。シェーダーは、考慮する光源の数などを決定する場合もあります。

アンビエント光源は、シーン内のすべてのオブジェクトを均一に照らす(遍在する)無指向性、一定の強度、一定の色の光源です。レンダリング中、すべてのシーン オブジェクトは、指定された強度と色相で照らされます。このタイプの光源は、主にシーンのさまざまなアイテムの初歩的な視点を提供するために使用されます。この種の照明は、設置が最も簡単で、光が複数回散乱または反射する方法をシミュレートして、均一な効果を提供します。

アンビエントライティングとアンビエントオクルージョンを結合して、各シーンポイントの露出度を示すことができ、反射できるアンビエントライトの量に影響します。これにより、シーン全体に拡散した無指向性のライティングが作成され、明確な影は作成されませんが、保護された領域と限られた領域が暗くなります。この効果は、通常、視覚的には曇りの日に似ています。

光は単一の光源から発せられ、あらゆる方向に拡散します。

光は一点から発せられ、スポットライトのように円錐状に広がります。

光源は、1 つの平面上の小さな領域です。(照明の点光源よりも現実的なモデルです。

指向性光源は、特定の方向からすべてのものを均等に照らし、サイズに制限がなく、シーンから無限の距離を持つエリア ライトに匹敵します。日陰はありますが、距離の減衰は不可能です。これは太陽に似ています。

理論的には、2 つの平行な面は、太陽などの遠くの遮るもののない光源によってほぼ均等に照らされます。距離フォールオフ効果は、近くの光源に対してリアルな、より大きな陰影を持つイメージを生成します。

左の画像には距離の減衰がありません。両方のボックスの前面の色が同じであることを確認します。この目の錯覚は、2 つの面が交わる下の垂直エッジによって生成されます。

右の画像は、距離の減衰を使用しています。自分に最も近いボックスの前面が、自分から最も遠いボックスの前面よりも明るいことを確認します。また、遠ざかるにつれて床が暗くなります。

距離の減衰は、いくつかの方法で計算できます。

距離の累乗 – 光源から x メートル離れた特定の点について、距離の累乗は、受信する光の強度が 1/xn に比例します。

なし(n = 0) - 点と光源の間の距離に関係なく、受光する光の強度は同じです。

線形 (n = 1) — 光源からの特定の点 x に対して、受光強度は 1/x に比例します。

これは、光に自由経路がある場合(つまり、

(光を吸収または散乱させる可能性のある霧やその他のものが空気中にありません)。

光源から一定の距離xで、特定の点について、受光強度は1/x2に比例します。

また、多数の数学演算を追加することもできます。

シェーディング中、ライティングの計算にサーフェス法線が頻繁に必要になります。法線は、モデルの頂点ごとに事前に計算して保存することができます。

ポリゴンのサーフェス法線と、すべてのポリゴンが平坦であるという仮定に基づいて、イルミネーションは各ポリゴン(多くの場合は最初の頂点ですが、三角形メッシュの場合は重心)に対して 1 回だけ評価されます。計算された色はポリゴン全体に適用され、その角がシャープになります。通常、より高度なシェーディング手法が計算コストが高すぎる場合に使用されます。フラット シェーディングでは、鏡面反射光のハイライトが不適切に再現されます: 代表的な頂点に重要な鏡面反射光成分がある場合、この明るさは面全体に均一に分布します。スペキュラハイライトが代表点に当たらない場合、そのハイライトは完全に欠落します。したがって、鏡面反射コンポーネントは通常、フラット シェーディングの計算から除外されます。

ポリゴンの境界で色が急激に変化するフラット シェーディングとは対照的に、スムーズ シェーディングでは、隣接するポリゴン間で色が徐々に変化します。通常、値は最初にポリゴンの頂点で決定され、次に共一次内挿法を使用してポリゴンの頂点間のピクセル値が計算されます。グーローシェーディングは、スムースシェーディングの一種の一例です

各頂点の法線を決定します。

各頂点に適用された照明モデルを使用して、頂点法線から光の強度を計算します。

共一次内挿法を使用して、サーフェス ポリゴン上の頂点強度を内挿します。

問題：

イルミネーションが頂点のみで計算される結果、エラー(特に大きな三角形のスペキュラ ハイライト)が顕著になりすぎることがあります。

隣接するポリゴン間の T ジャンクションは、視覚的な奇妙さを生み出すことがあります。一般的にT字路は避けるべきです。

フォン シェーディングはグーロー シェーディングと似ていますが、ライトの強度を補間する代わりに、頂点間の法線を補間し、各ピクセルでイルミネーションを評価する点が異なります。したがって、スペキュラ ハイライトは、グーロー シェーディング モデルよりもはるかに高い精度で生成されます。

各ポリゴンの頂点の法線 N を計算します。

双一次内挿法を使用して、各ピクセルの正規分布 Ni を計算します。

(Normal は繰り返し再正規化する必要があります。

各画素に照明モデルを適用し、Niから光強度を計算します。

ディファード シェーディングは、シェーディングの計算を 2 つのパスでレンダリングすることで延期するシェーディング アプローチであり、コストのかかるシェーディングされたピクセルを破棄しないと、パフォーマンスが向上する可能性があります。

最初のパスはサーフェス特性(深度、法線、物質パラメータなど)のみを収集し、2番目のパスは実際のシェーディングを実行し、最終的な色を計算します。:884