本应是Mesh系列的第一篇~为了赶动画原理拖了几天。

在上一篇中，我们用半边结构读取了网格，但实际上还没真正用到半边。

今天就是半边结构大显身手(?)的时候了！它可以快速找到每个顶点的所有邻居节点，以计算顶点的法线。

（入坑两年了，怎么还有人在写写了800次的基础卡渲.......)

B类作业④ 实验报告

实验原理

Shading

使用半边结构读入obj格式的三维网格模型，通过叉乘计算顶点法线，使用Blinn-Phone模型进行简单的渲染。

Interaction

模型交互使用了A类作业①魔方程序中构建的TrackBall类，将鼠标在窗口内的位置移动映射到球面，计算球面角对模型进行旋转。

实验步骤

1.使用半边结构读入网格

详见B类作业③实验报告。

2.计算顶点法线（见Vertex::computeNormal()）

通过叉乘三角面的两个半边，我们可以获得三角面的法线。但顶点不止存在于一个三角面上，因此需要遍历所有其所在的三角面，对所有法线求平均值。

顶点不存储面相关的信息，因此遍历所有定点所在三角面是通过获取 所有顶点的出半边 实现的。通过outEdge->twin->next即可访问下一条出半边。

计算得到的法线可视化如图：

碎碎念：半边结构其实改了特别特别久。最开始没有成对创建半边，也没想起用哈希表，就分类讨论判断是否加新边之类的....改到头秃，最后索引关系还不对，算出来的法线： 像我的精神状态一样错乱......

3.渲染

将灯光位置与相机位置传入着色器，通过与Position做差可得到视线向量viewDir与光线向量lightDir，取平均得到半程向量H = normalize(viewDir+lightDir).点乘法线即可进行简单的光照计算。 4.鼠标交互-旋转

引入了TrackBall类。

• 当鼠标在窗口按下时，通过回调函数click_callback将鼠标位置传入TrackBall，并用布尔值leftkey记录按键状态。

• 当鼠标在窗口移动时，若leftkey为真，通过回调函数mouse_callback将鼠标位置传入TrackBall，计算旋转角，并生成旋转矩阵，传递给vertex shader。

实现细节：

• 通过glfwSetInputMode(window, GLFW_CURSOR, GLFW_CURSOR_NORMAL);开启鼠标监听
• 使用glfwGetCursorPos()获得鼠标的屏幕坐标，并重映射至[-1,1]
• TrackBall中用mat4 lasttrans记录先前的历史旋转。球面角计算得到的旋转轴是世界空间的，需要通过lasttrans的逆矩阵将旋转轴转换至物件空间。

5.鼠标交互-缩放

缩放的实现主要通过更改透视投影矩阵的视锥角实现。

• 当滚轮在窗口改变时，通过回调函数scroll_callback将滚轮增减作用于视锥角。

6.渲染补充

补充了简单的程序化背景和简单的卡通渲染效果。

• 在Blinn-Phone的光照基础上，对漫反射、高光的点乘计算值进行step()/smoothstep()即可获取清晰的光照边界。也可以添加ramp map以映射不同阶数的光照表现。

• 背景由一个的四边形面片构成，在片元着色器中计算颜色。

  • 渐变：用TexCoords.y插值两种颜色。
  • 晶格化渐变：以TexCoords.y为半径的sdf画圆。
• 将顶点朝法线方向偏移，即可获得描边效果。为刻画圈圈的网格结构，这里描边只绘制网格的背面，且绘制后不清理深度缓冲，这样在网格转折明显的部位仍可以出现描边效果。对比如下图：

（Yeah 我知道还有让描边宽窄不变的trick🤪🤪但我懒得写了。这个case里摄像机根本就不能动。）

• 渲染时发现，附件提供的mesh模型缺少了一个三角面： （还以为法线又算错了 生气🤪

为了视觉效果，在obj文件中添加了这个面。因此实际提交的`eight.uniform.obj`比附件提供的文件要多一行~

实验效果

• 通过鼠标左键旋转模型。
• 通过鼠标滚轮缩放模型。
• 按键盘1/2/3切换显示效果。

实验环境

Window 10. Visual Studio 2022.

依赖库：GLFW，GLAD, GLM

by ERIN.Z