TikZ/PGFPlots による 3D ライティングとシェーディング

Question

基本的な3D照明モデルを使用して3Dパラメトリックサーフェスをシェーディングしようとしていますが、この答えTikZ は照明をサポートしていないとのことです。唯一の選択肢は、頂点を陰影付けするために色のグラデーションを使用することです。これは特定のグラフでは許容できるかもしれませんが、3D オブジェクトの実際の形状を表示しようとしている場合には許容できません。

しかし、TikZ には明らかに、これを行うために必要なすべてのデータがあります。導関数は、頂点ごとに数値的に計算できます (つまり、ユーザーが各表面について手動で解析的に導出する必要はありません)。次に、これらを使用して法線を構築できます。ユーザーにポイント ライトの位置を指定させると、拡散照明が得られます。カメラの位置をとらえると、鏡面照明も得られます。

Asymptote のようなパッケージで美しい 3D 画像を作成できることは知っていますが、これらのソリューションではラスター グラフィックスが作成され、ベクター グラフィックスが必要です。

TikZ に 3D ライティングとシェーディングを追加するにはどうすればよいですか?まだ存在しない理由があるのでしょうか? TikZ がどのように実装されているかわかりませんし、これまで拡張機能を書いたこともないので、この機能をどのように追加すればよいかわかりません。

Answer 1

これはTikZ内で直接計算することで得られます。表面はパラメトリックに与えられますが、LaTeXのメモリ制限はすでにほぼ限界に達しています。コードは以下のとおりです。TikZ でトーラスをシェーディングするそこにいくつか説明があります。影を追加したので、コードをもう一度示します。

座標には影がありません。オズ軸...sagetex計算を実行するために使用するという DJP のアイデアは、おそらく合理的なものでしょう。

\documentclass[margin=10pt]{standalone}
\usepackage{ifthen}
\usepackage[rgb]{xcolor}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{cd, arrows, matrix, intersections, math, calc}
\xdefinecolor{O}{RGB}{255, 102, 17}
\xdefinecolor{B}{RGB}{17, 87, 221}

\begin{document}

\tikzmath{%
  real \slongit, \slatit, \sunx, \suny, \sunz;  % towards the light source 
  real \longit, \latit, \tox, \toy, \toz;
  real \newxx, \newxy, \newyx, \newyy, \newzx, \newzy;  
  \slongit = 100; \slatit = 45;
  \sunx = sin(\slongit)*cos(\slatit);
  \suny = sin(\slatit);
  \sunz = cos(\slongit)*cos(\slatit);
  \longit = 25;  \latit = 36;  % 35;
  \tox = sin(\longit)*cos(\latit);
  \toy = sin(\latit);
  \toz = cos(\longit)*cos(\latit);
  \newxx = cos(\longit); \newxy = -sin(\longit)*sin(\latit);
  \newyy = cos(\latit);
  \newzx = -sin(\longit); \newzy = -cos(\longit)*sin(\latit);
  real \ry, \rz;
  \ry = 4;
  \rz = 1.5;  
  integer \Ny, \Nz, \j, \k, \prevj, \prevk, \aj, \ak;
  % j moves around Oy and k moves around Oz.
  % They describe full circles of radii \ry and \rz respectively.
  \Nz = 48;  % 24;  % 60;
  \Ny = 80;  % 36;  % 120;
  \ktmp = \Nz-1; 
  \jtmp = \Ny-1;
  \aj = 10;
  \ak = 0;
  function isSeen(\j, \k) {
    let \px = cos(360*(\k/\Nz))*cos(360*(\j/\Ny));
    let \py = -sin(360*(\k/\Nz));
    let \pz = cos(360*(\k/\Nz))*sin(360*(\j/\Ny));
    let \res = \px*\tox + \py*\toy + \pz*\toz;
    if \res>0 then {return 1;} else {return 0;};
  };
  function inLight(\j, \k) {%
    let \px = cos(360*(\k/\Nz))*cos(360*(\j/\Ny));
    let \py = -sin(360*(\k/\Nz));
    let \pz = cos(360*(\k/\Nz))*sin(360*(\j/\Ny));
    return {\px*\sunx + \py*\suny + \pz*\sunz};
  };
  function projX(\j, \k) {%
    let \px = \ry+\rz*cos(360*(\k/\Nz))*cos(360*(\j/\Ny));
    let \py = -\rz*sin(360*(\k/\Nz));
    let \t = -(\rz+\py)/\suny;
    return {\px + \t*\sunx};
  };
  function projZ(\j, \k) {%
    let \py = -\rz*sin(360*(\k/\Nz));
    let \pz = \ry+\rz*cos(360*(\k/\Nz))*sin(360*(\j/\Ny));
    let \t = -(\rz+\py)/\suny;
    return {\pz + \t*\sunz};
  };
  function T(\j, \k) {%
    let \py = -\rz*sin(360*(\k/\Nz));
    let \pz = \ry+\rz*cos(360*(\k/\Nz))*sin(360*(\j/\Ny));
    return {\rz*(-1+sin(360*(\k/\Nz)))/\suny};
  };
}


\begin{tikzpicture}[every node/.style={scale=.8},
  x={(\newxx cm, \newxy cm)},
  y={(0 cm, \newyy cm)},
  z={(\newzx cm, \newzy cm)},
  evaluate={%
    % int \j, \k;
    real \tmp;
    for \j in {0, 1, ..., \Ny}{%
      for \k in {0, 1, ..., \Nz}{%
        \test{\j,\k} = isSeen(\j, \k);
        if \test{\j,\k}>0 then {%
          \tmp{\j,\k} = int(100*inLight(\j,\k)));
          if \tmp{\j,\k}>0 then {%
            \tmpW{\j,\k}=int(100*inLight(\j,\k)^2);
          }
          else {%
            \tmpK{\j,\k}=-int(100*inLight(\j,\k));
          };
        } else {};
      };
    };
  }]

  % points (P-\j-\k)
  \foreach \j in {0, ..., \Ny}{%
    \foreach \k in {0, ..., \Nz}{%
      \path
      ( {( \ry+\rz*cos(360*(\k/\Nz)) )*cos(360*(\j/\Ny))},
      {-\rz*sin(360*(\k/\Nz))},
      {( \ry+\rz*cos(360*(\k/\Nz)) )*sin(360*(\j/\Ny))} )
      coordinate (P-\j-\k);
    }
  }


  % shadow
  \foreach \k [remember=\k as \prevk (initially 0)] in {1, ..., \Nz}{%
    \foreach \j [remember=\j as \prevj (initially 0)] in {1, ..., \Ny}{%
      \fill[gray!70!black, opacity={.4*abs(inLight(\j,\k))}]
      ($(P-\j-\prevk)+T(\j,\prevk)*(\sunx, \suny, \sunz)$)
      -- ($(P-\prevj-\prevk)+T(\prevj,\prevk)*(\sunx, \suny, \sunz)$)
      -- ($(P-\prevj-\k)+T(\prevj,\k)*(\sunx, \suny, \sunz)$)
      -- ($(P-\j-\k)+T(\j,\k)*(\sunx, \suny, \sunz)$) -- cycle;
    }
  }
  
  % coordinate system $Oxyz$; first layer
  \draw[green!50!black]
  (0, 0, 0) -- (\ry, 0, 0)
  (0, 0, 0) -- (0, 0, \ry);

  % "squares"---the mesh
  \foreach \k [remember=\k as \prevk (initially 0)] in {1, ..., \Nz}{%
    \foreach \j [remember=\j as \prevj (initially 0)] in {1, ..., \Ny}{%
      \ifthenelse{\test{\j,\k}=1}{
        \ifthenelse{\tmp{\j,\k}>0}{
          \filldraw[white!\tmpW{\j,\k}!B]
          (P-\j-\prevk) -- (P-\prevj-\prevk)
          -- (P-\prevj-\k) --(P-\j-\k) -- cycle;
        }{%
          \filldraw[black!\tmpK{\j,\k}!B]
          (P-\j-\prevk) -- (P-\prevj-\prevk)
          -- (P-\prevj-\k) --(P-\j-\k) -- cycle;
        }
      }{}
    }
  }

  % longitude cycle
  \foreach \k [remember=\k as \prevk (initially 0)] in {1, ..., \Nz}{%
    \ifthenelse{\test{\aj,\k}=1}{
      \draw[red, thick] (P-\aj-\k) -- (P-\aj-\prevk);
    }{
      \draw[red, very thin, opacity=.4] (P-\aj-\k) -- (P-\aj-\prevk);
    }
  }

  % latitude cycle
  \foreach \j [remember=\j as \prevj (initially 0)] in {1, ..., \Ny}{%
    \ifthenelse{\test{\j,\ak}=1}{
      \draw[red, thick] (P-\j-\ak) -- (P-\prevj-\ak);
    }{
      \draw[red, very thin, opacity=.3] (P-\j-\ak) -- (P-\prevj-\ak);
    }
  }
  
  % coordinate system $Oxyz$; second layer
  \draw[green!50!black, -{Latex[length=5pt, width=5pt]}]
  (\ry+\rz, 0, 0) -- (8, 0, 0) node[right] {$x$};
  \draw[green!50!black, -{Latex[length=5pt, width=5pt]}]
  (0, 0, 0) -- (0, 6, 0) node[above] {$y$};
  \draw[green!50!black, -{Latex[length=5pt, width=5pt]}]
  (0, 0, \ry+\rz) -- (0, 0, 8) node[below left] {$z$};
\end{tikzpicture} 
\end{document}