3D-освещение и затенение с помощью TikZ/PGFPlots

Question

Я пытаюсь затенить параметрические 3D-поверхности, используя базовую модель 3D-освещения, ноэтот ответговорит, что TikZ не поддерживает освещение. Единственный вариант — использовать цветовые градиенты для затенения вершин. Это может быть приемлемо для определенных графиков, но не тогда, когда вы пытаетесь показать фактическую форму 3D-объекта.

Но TikZ явно имеет все данные, доступные для этого. Производные могут быть рассчитаны численно для каждой вершины (т. е. без необходимости для пользователя аналитически выводить их вручную для каждой поверхности). Затем их можно использовать для построения нормалей. Позвольте пользователю указать местоположение точечного источника света и вуаля, у вас есть рассеянное освещение. Зафиксируйте положение камеры, и у вас также будет зеркальное освещение.

Я знаю, что такие пакеты, как Asymptote, могут создавать красивые 3D-изображения, но эти решения создают растровую графику, а мне нужна векторная графика.

Как добавить 3D-освещение и затенение в TikZ?Есть ли причина, по которой его еще нет? Я не знаю, как реализован TikZ, и я не писал никаких расширений раньше, поэтому я не представляю, как я добавлю эту функцию.

Answer 1

Он получен прямыми вычислениями внутри TikZ. Поверхность задана параметрически, но ограничения памяти LaTeX уже почти затронуты. Код ниже, адаптированный из ответа, который я дал наЗатенение тора в TikZ. Там есть некоторые пояснения. Я снова привожу код, так как я добавил тень.

Координаты не имеют тени; возникает соблазн попробовать отбрасываемую теньОзось... Возможно, идея использования DJP sagetexдля выполнения вычислений является разумной.

\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}