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Blender のスクリプトで拡散反射のベクトルを可視化する

diffuse反射はPhongの反射モデルの一部で、ADSのDの部分。やってることは面法線と光のベクトルの内積を光の強さとしているといっていい(だろう。たぶん。)。ベクトルの内積は、その角度が小さくなると大きくなり、角度が大きくなると小さくなる。

ただこの現象を文章で説明されてもぱっと思い浮かばないので可視化する

これは面ごとにEmissionで色を付けている。

角度が小さいほど明るい色になっている。

コード

実行すると、光源の位置に該当する球と、対象物に対する球、光源から物体の方向のArrowと各面の面法線、その位置からの光源へのベクトルが生成される。

import bpy
import mathutils
import numpy
import math



# @brief オブジェクトを指定座標へ向けるための回転軸と回転角を計算する
# @param [in] オブジェクト
# @param [in] 向ける方向(座標)
# @return 回転軸,回転角(ラジアン)
def calc_lookat_param(obj,lookat):
    
    # オブジェクトのローカルのZ軸のベクトルを取得
    mat = obj.matrix_world
    localZ = mathutils.Vector((mat[0][2],mat[1][2],mat[2][2]))
    
    #print(localZ)
    
    va = mathutils.Vector(lookat) - obj.location
    vb = mathutils.Vector(localZ)
    
    va.normalize()
    vb.normalize()
    
    # 外積
    axis = mathutils.Vector.cross(va,vb)
    axis.normalize()
    
    # 内積
    th = mathutils.Vector.dot(va,vb)
    
    # 角度算出
    rad = -math.acos( numpy.clip(th,-1.0,1.0) )

    return axis , rad
    

    
# @brief 任意軸回転
# @param [in,out] obj 回転するオブジェクト
# @param [in] axis 回転軸
# @param [in] radian 回転角をラジアンで指定
# @return なし
# @sa https://www.study.suzulang.com/bpy-calculation/bpy-arbitrary-axis-rotation
def rotate_object(obj,axis,radian):
    
    
    rot_mat= mathutils.Matrix.Rotation( radian, 4, axis ) 
    
    # decompose world_matrix's components, and from them assemble 4x4 matrices
    orig_loc, orig_rot, orig_scale = obj.matrix_world.decompose()
    #
    orig_loc_mat   = mathutils.Matrix.Translation(orig_loc)
    orig_rot_mat   = orig_rot.to_matrix().to_4x4()
    orig_scale_mat = (mathutils.Matrix.Scale(orig_scale[0],4,(1,0,0)) @ 
                      mathutils.Matrix.Scale(orig_scale[1],4,(0,1,0)) @ 
                      mathutils.Matrix.Scale(orig_scale[2],4,(0,0,1)))
    #
    # assemble the new matrix
    obj.matrix_world = orig_loc_mat @ rot_mat @ orig_rot_mat @ orig_scale_mat 
    
    

def fix_arrow_dir(aobj,_to):
    # 方向を一致させるためのパラメータ取得
    axis , rad = calc_lookat_param(aobj,_to)

    # 回転
    rotate_object(aobj,axis,rad)
    
def fix_arrow_fromto(aobj,_from,_to):
    
    aobj.location=_from
    
    fix_arrow_dir(aobj,_to)

    aobj.location=_from

    # _from → _to の距離を計算
    objlen = ( _from - _to ).length

    # 矢印の長さ==スケール
    aobj.scale[0] = objlen
    aobj.scale[1] = objlen
    aobj.scale[2] = objlen
    
# @brief オブジェクトの指定したpolygonの法線を取得
# @param [in] obj オブジェクト
# @param [in] polyIndex ポリゴン番号
# @return 法線(グローバル座標系)
def get_polygon_normal(obj,polyIndex):
    # オブジェクトの行列を取得
    local44 = obj.matrix_world
    
    ll_inv = local44.inverted()
    ll_inv_norm = ll_inv.transposed().to_3x3()    
    
    
    vn = obj.data.polygons[polyIndex].normal
    
    return ll_inv_norm @ vn


# @brief _fromから_toを指すEmptyArrowを作成
# @param [in] 矢印の根元の座標
# @param [in] 矢印の先端の座標
# @return 作成したオブジェクト
def make_empty_arrow(_from,_to):

    # 新しいEmpty ObjectのArrowを作成
    bpy.ops.object.empty_add(type="SINGLE_ARROW",location=_from)
    aobj = bpy.context.object
    fix_arrow_fromto(aobj,_from,_to)

    return aobj

#####################################################
#####################################################
# 矢印一個のオブジェクト。
class Arrow:
    _from = mathutils.Vector((0,0,0))
    _to = mathutils.Vector((0,0,0))
    _object = None
    
    def __init__(self,name):
        
        exist = bpy.context.scene.objects.get(name)
        if exist is None:
            bpy.ops.object.empty_add(type="SINGLE_ARROW",location=(0,0,0))
            self._object = bpy.context.object
            self._object.name = name
            
        else:
            self._object = exist
            
        #obj = bpy.context.active_object
        # オブジェクトのローカルのZ軸のベクトルを取得
        mat = self._object.matrix_world
        localZ = mathutils.Vector((mat[0][2],mat[1][2],mat[2][2]))
        
        _to = localZ + self._object.location
        
    
    def get_direction(self,normalize):
        v = _to - _from
        if normalize == True:
            v.normalize
        return v
    
    def get_arrow(self,normalize):
        pos = get_direction(normalize)
        __to = _from+pos
        return _from , __to
    
    def set_arrow_from_to(self,_from,_to):

        fix_arrow_fromto(self._object,_from,_to)
        self._from = _from
        self._to = _to
        
    def get_vnorm(self):
        v = self._to - self._from
        v.normalize()
        return v
    
    def set_length(self,length):
        self._object.scale[0]=length
        self._object.scale[1]=length
        self._object.scale[2]=length

#####################################################
#####################################################

class TheLight:
    light = None
    arrowToTarget = None

    def __init__(self,_pos):
        self.light = bpy.context.scene.objects.get('TheLight')
        if self.light is None:
            # 新しいEmpty ObjectのArrowを作成
            bpy.ops.mesh.primitive_ico_sphere_add(location=_pos,radius =0.3)
            self.light = bpy.context.object
            
            self.light.name = 'TheLight'
            
    def update(self,target):
        self.arrowToTarget = Arrow('LightToTarget')

        self.arrowToTarget.set_arrow_from_to(
            self.light.location,
            target.target.location
        )
        self.arrowToTarget.set_length(2)
            
        
        
    def get_location(self):
        return self.light.location


###############################################
###############################################
# 各面ごとに、面法線と光源の方向を示すための矢印を定義する
class Plane:
    normal = None
    material_name = None
    plane_index = 0
    toLightArrow = None
    normalArrow_name = ""
    Ld = 0.0
    
    def __init__(self,obj,pindex):
        
        self.normalArrow_name = 'PlaneNormal-' + str(pindex)
        
        self.normal = Arrow(self.normalArrow_name)
    
        mat_name = "mat" + str(pindex)
        self.material_name = mat_name
        mat = bpy.data.materials.get(mat_name)
            
        # マテリアルがなければ作成する
        if mat is None:
            mat = bpy.data.materials.new(mat_name)
                
            # マテリアルをオブジェクトに設定する
            obj.data.materials.append(mat)        
            mat.use_nodes = True

            self.material_name = mat_name
            self.plane_index = pindex
            obj.data.polygons[pindex].material_index = pindex

        
    def update(self,origin,dir,light):
        
        self.normal.set_arrow_from_to(
            origin,
            origin+dir)
            
            
        # direction
        ldir = light.get_location()-origin
        ldir.normalize()
        
        # 面に光が当たったときの明るさを計算
        # 面法線とライト方向へのベクトルの内積
        Kd = 1.0
        I = 1.0
        self.Ld = Kd*I*numpy.dot(
            self.normal.get_vnorm(),
            -light.arrowToTarget.get_vnorm()
            )
            
        if self.Ld < 0:
            self.Ld = 0
        else:
            # arrow-to-line
            lightarrowname = self.normalArrow_name +'-tolight'        
            self.toLightArrow = Arrow(lightarrowname)
            
            tolight = origin-light.arrowToTarget.get_vnorm()
            self.toLightArrow.set_arrow_from_to(origin,tolight)
            self.toLightArrow.set_length(0.3)
                
    
        self.normal.set_length(self.Ld*0.5)
        
        
        
    def set_material(self,polyindex):
        
        material =bpy.data.materials.get(self.material_name)
        
        material_output = material.node_tree.nodes.get('Material Output')

        #emission = new_mat.node_tree.nodes.get('ShaderNodeEmission')
        emission = material.node_tree.nodes.get('Emission')
        if emission is None:
            print( 'Emission:',emission )
            emission = material.node_tree.nodes.new('ShaderNodeEmission')
        
            material.node_tree.links.new(material_output.inputs[0], emission.outputs[0])
        
        ntree = material.node_tree#.new('ShaderNodeEmission')
                
        print( self.Ld )
        material.node_tree.nodes["Emission"].inputs["Color"].default_value[0] = 0.5 * self.Ld
        material.node_tree.nodes["Emission"].inputs["Color"].default_value[1] = 0.9 * self.Ld
        material.node_tree.nodes["Emission"].inputs["Color"].default_value[2] = 0.8 * self.Ld  
        


###############################################
###############################################
class TheTarget:
    
    target = None # 光が当たるオブジェクト
    planes = [] # 各面の設定を面ごとに入れる
    
    def create_planes(self):

        mesh = self.target.data
        
        k = len(mesh.polygons)
        # 全てのポリゴンに対するループ
        for i in range(0,k):        
                            
            self.planes.append( Plane(self.target,i) )
        
        
    def update(self,light):
        
        mesh = self.target.data
        vcoords = mesh.vertices
        
        # オブジェクトの行列を取得
        local44 = self.target.matrix_world
            
        
        
        k = len(self.planes)
        for i in range(0,k):        

            n = get_polygon_normal(self.target,i)
        
            ## origin of polygon
            grav = mathutils.Vector((0,0,0))
            
            for v in mesh.polygons[i].vertices:

                # v はpolyの各頂点のID
                grav += vcoords[ v ].co
                
            # 頂点座標の合計を頂点数で割る
            grav /= len(mesh.polygons[i].vertices)
            
            origin = local44 @ grav
        
            self.planes[i].update(
                origin,
                n,
                light)
                
            self.planes[i].set_material(self.target)
            
            
    def __init__(self,_pos):
        
        self.target = bpy.context.scene.objects.get('TargetMesh')


        if self.target is None:
            #bpy.ops.mesh.primitive_plane_add(location=_pos)
            bpy.ops.mesh.primitive_ico_sphere_add(
                location=_pos,
                radius =1.0
            )

            self.target = bpy.context.object
            
            self.target.name = 'TargetMesh'   
            
            
        self.create_planes()       
            
    
###############################################
###############################################
###############################################
def my_function():

    target = TheTarget( (-1,2,1) )
    thelight = TheLight( (1,5,5) )
    thelight.update(target)
    target.update(thelight)
    
###############################################
###############################################
###############################################


my_function()

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