Advanced lighting and materials with shaders.

Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix Chapter 1 The Physics of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 The Duality of Light. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Light as Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Light as Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.1 Wavelength and Color. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.2 Phase and Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Light as Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Conclusion and Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Chapter 2 Modeling Real-World Lights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 Ideal Point Lights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.1 Point Lights as Energy Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.2 Geometric Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.3 Attenuation through Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.4 Point Lights and Lighting Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2 Directional Lights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1 The Relationship between Point and Directional Lights . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.2 Directional Lights and Lighting Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3 Area Lights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 The Relationship between Point and Area Lights. . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Attenuation and Area Lights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 v 2.4 Spotlights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.1 Spotlights as Physical Lights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.2 Spotlights and Lighting Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.3 Other Spotlight Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5 Global Illumination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.1 Global Illumination vs. Local Illumination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.2 Ambient Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Chapter 3 Raytracing and Related Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1 The Raytracing Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.1.1 Backward Raytracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.1.2 Camera Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.1.3 The Different Types of Rays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1.4 Recursion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.5 Ray and Object Intersections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.6 Texturing and Shading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.7 Problems and Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.8 Solutions and Workarounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.1.9 The Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2 Extending the Raytracing Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2.1 Stochastic Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2.2 Path Tracing and Related Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2.3 Photon Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.3 Real-time Raytracing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.4 Raytracing Concepts for Other Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Other Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi Chapter 4 Objects andMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1 Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2Wood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.2.1 Trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.2.2 Lumber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.2.3 Finished Wood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.3 Leaves and Vegetation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.4 Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.5 Concrete and Stone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.5.1 Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.5.2 Brick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.5.3 Natural Stone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.6 Skin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.7 Hair and Fur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.8 Air and the Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.9 Transparent Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.9.1 Glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.9.2 Water. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.10 Paint. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.11 Worn Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Chapter 5 Lighting and ReflectanceModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.1 The Rendering Equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.2 Basic Illumination Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.2.1 Irradiance and Illuminance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.2.2 Radiance and Luminance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.3 Lambert’s Law for Illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.4 Bidirectional Reflectance Distribution Functions (BRDFs). . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.4.1 Parameters to a BRDF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contents vii 5.4.2 Isotropic vs. Anisotropic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.4.3 BRDFs vs. Shading Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.5 Diffuse Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.5.1 A Simple Diffuse Shading Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.5.2 Diffuse Materials and Conservation of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.5.3 Purely Diffuse Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.6 Specular Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.6.1 Purely Specular Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.6.2 Specular and the Phong Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.6.3 The Blinn-Phong Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.6.4 Combining Diffuse and Specular Reflection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.7 Diffuse Reflection Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.7.1 Oren-Nayar Diffuse Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.7.2 Minnaert Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.8 Specular and Metallic Reflection Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.8.1 Ward Reflection Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.8.2 Schlick Reflection Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.8.3 Cook-Torrance Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.8.3.1 The Geometric Term . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.8.3.2 The Fresnel Term . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.8.3.3 The Roughness Term . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.8.3.4 The Complete Cook-Torrance Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Chapter 6 Implementing Lights in Shaders. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.1 Basic Lighting Math . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.1.1 Color Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.1.2 Object Space Light Vectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.1.3 Putting the Basics Together . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.2 Per-Vertex Warn Lights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.2.1 The Warn Shader. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii 6.2.2 The Warn Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.2.3 The Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.3 Per-Pixel Warn Lights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.3.1 PS2.0 Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.3.2 The Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 6.3.3 Lookup Textures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Other Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Chapter 7 Implementing BRDFs in Shaders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 7.1 Basic Setup and Diffuse Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 7.1.1 Basic Application Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 7.1.2 Basic Diffuse Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 7.2 Specular Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7.2.1 The Phong Shaders. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7.2.2 The Blinn-Phong Shaders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 7.3 Oren-Nayar Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 7.4 Minnaert Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 7.5 Ward Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.5.1 Isotropic Ward Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.5.2 Anisotropic Ward Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 7.6 Schlick Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 7.7 Cook-Torrance Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Chapter 8 Spherical Harmonic Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 8.1 Understanding the Need for Spherical Harmonics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 8.1.1 Hemispheres of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 8.1.2 Representations of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contents ix 8.1.3 Compressing Data Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 8.1.4 Compressing Hemispheres of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 8.2 Spherical Harmonics Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8.2.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8.2.2 Projection and Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 8.2.3 Main Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 8.2.4 The Spherical Harmonic Lighting Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 8.2.4.1 The Rendering Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 8.2.4.2 SH Diffuse Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 8.2.4.3 SH Diffuse Shadowed Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 8.2.4.4 SH Diffuse Shadowed Inter-Reflected Lighting . . . . . . . . . . . . . . 177 8.3 Sample Implementations in OpenGL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 8.3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 8.3.2 Associated Legendre Polynomials 2D Display. . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 8.3.2.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 8.3.2.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 8.3.2.3 Command-line Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 8.3.2.4 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 8.3.3 Spherical Harmonics 3D Display. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 8.3.3.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 8.3.3.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 8.3.3.3 Command-line Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 8.3.3.4 Keyboard Mapping and Mouse Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 8.3.3.5 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 8.3.4 Function Approximation and Reconstruction Using Spherical Harmonics . . . 187 8.3.4.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 8.3.4.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 8.3.4.3 Command-line Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 8.3.4.4 Keyboard Mapping and Mouse Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 8.3.4.5 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 8.3.5 HDR Images Loading and Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 8.3.5.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 8.3.5.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x 8.3.5.3 Command-line Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 8.3.5.4 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 8.3.6 Spherical Harmonic Lighting Program. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 8.3.6.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 8.3.6.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 8.3.6.3 Command-line Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 8.3.6.4 Keyboard Mapping and Mouse Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 8.3.6.5 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Conclusion and Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Chapter 9 Spherical Harmonics in DirectX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 9.1 Per-Vertex SH Data Generation with D3DX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 9.1.1 The Main SH Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 9.1.2 Parameters and Performance Implications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 9.1.2.1 Vertex Count . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 9.1.2.2 Ray Count . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 9.1.2.3 Bounce Count . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 9.1.2.4 Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 9.1.3 Compressed SH Coefficients. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 9.1.3.1 Generating Compressed SH Coefficients. . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 9.1.3.2 Using Compressed SH Coefficients. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 9.2 Rendering the Per-Vertex SH Solution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 9.2.1 Encoding Lights for SH Rendering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 9.2.2 The Basic SH Vertex Shader. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 9.3 SH with Cube Maps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 9.4 DX SH with HDRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 9.5 Multiple Meshes/Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 9.6 Subsurface Scattering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 9.7 Simple Specular Highlights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 9.7.1 The Basic Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 9.7.2 The Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contents xi Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Chapter 10 Toward Real-Time Radiosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 10.1 Radiosity Background and Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 10.1.1 What Radiosity Tries to Achieve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 10.1.2 Historical Background and Evolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 10.1.3 Near Real-Time Radiosity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 10.2 Radiosity Theory and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 10.2.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 10.2.2 The Radiosity Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 10.2.3 Form Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 10.2.3.1 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 10.2.3.2 Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 10.2.4 The Classic Radiosity Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 10.2.5 The Progressive Refinement Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 10.2.6 Radiosity and Subdivision. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 10.3 Sample Implementation in OpenGL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Other Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Appendix A Building the Source Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 A.1 DirectX/HLSL Programs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 A.1.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 A.1.2 Building the Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 A.1.3 Running and Testing the Programs and Shaders . . . . . . . . . . . . . . . . 270 A.2 OpenGL/CG Programs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 A.2.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 A.2.2 Building the Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 A.2.2.1 Windows Platforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii A.2.2.2 Linux Platforms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 A.2.3 Running and Testing the Programs and Shaders . . . . . . . . . . . . . . . . 274 A.3 OpenGL/GLSL Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 A.3.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 A.3.2 Building the Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 A.3.3 Running and Testing the Programs and Shaders . . . . . . . . . . . . . . . . 277 A.4 OpenGL Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 A.4.1 Platforms and Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 A.4.2 Installing the Libraries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 A.4.2.1 GLUT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 A.4.2.2 Lib3ds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 A.4.3 Building the Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 A.4.3.1 Unix Platforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 A.4.3.2 Windows Platforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 Other Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 Appendix B Sample Raytracer Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 B.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 B.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 B.1.2 Data Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 B.1.3 Main Functions and Program Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 B.1.4 Input File Format Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 B.1.4.1 Basic Data Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 B.1.4.2 Primitives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 B.2 Implementation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 B.2.1 Scene Parser Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 B.2.2 Core Raytracing Functions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 B.2.3 Ray/Primitive Intersection Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 B.2.4 File List and Auxiliary Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 B.3 The Raytracing Program. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 B.3.1 Renderings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contents xiii B.3.2 Extending the Raytracer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Appendix C The Lighting and Shading Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 C.1 DirectX/HLSL Framework. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 C.1.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 C.1.2 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 C.1.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 C.1.2.2 User Interface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 C.1.2.3 Data Structures and Instantiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 C.2 OpenGL/Cg Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 C.2.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 C.2.2 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 C.2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 C.2.2.2 User Interface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 C.2.2.3 Data Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 C.2.2.4 Functions and Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 C.2.2.5 Program Flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 C.2.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 C.2.3.1 OpenGL Shading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 C.2.3.2 Simple Shader. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 C.2.3.3 Advanced Shader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 C.3 OpenGL/GLSL Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 C.3.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 C.3.2 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 C.3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 C.3.2.2 User Interface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 C.3.2.3 Data Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 C.3.2.4 Functions and Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 C.3.2.5 Program Flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv C.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 C.3.3.1 OpenGL Shading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 C.3.3.2 Simple Shader. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Other Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contents