OpenGL|OpenGL 光照基础 OpenGL光照基础

颜色与光照的关系

我们看到的物体的颜色，实际是光照射物体后发射的光进入眼睛后感受到的颜色，而不是物体实际材料的颜色。
光照射到物体上，一部分会被物体吸收，一部分被发射进入眼睛，我们看到的颜色就是反射后进入我们眼睛的颜色。
颜色吸收和反射的过程可以表示为：LightIntensity * ObjectColor = ReflectColor.
计算为：(R, G, B) * (X, Y, Z) = (XR, YG, ZB)

Phong Reflection Model

Phong Reflection Model是经典的光照模型，它计算光照为：环境光 + 漫反射光 + 镜面光

环境光

环境光是场景中光源给定或者全局给定的一个光照常量。
它一般很小，主要是为了模拟计时场景中没有光照时，也不是全部黑屏的效果。
环境光 = 光源的环境光颜色 * 物体的环境光材质颜色

``` varying vec3 objectColor; void main() { // 环境光成分，至少有10%的光照到物体的所有面 float = ambientStrength = 0.1f; // 环境光颜色 vec3 ambient = ambientStrength * lightColor * objectColor; gl_FragColor = vec4(ambient, 1.0); } ```

漫反射光

漫反射光强度与光线入射方向和物体表面的法向量之间的夹角θ相关。

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漫反射.png

需要计算的两个向量为：
- 光源和顶点位置之间的向量L.
- 法向量N 可以通过顶点属性指定，但顶点经过模型视图变换后需要重新计算。
在世界坐标系中，计算L时，光源lightPos是在世界坐标系中指定的位置，直接使用即可。
- 顶点位置需要变换到世界坐标系中，利用模型(Model)矩阵进行变换：FragPos = vec3(model * vec4(position, 1.0)).
- 计算N时，不能直接使用Model * normal来换取变换后的法向量，需要使用：Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * normal.
- 其中inverse()为求矩阵的逆，transpose()求矩阵的转置。
漫反射颜色 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫反射材质颜色 * DiffuseFactor，其中 DiffuseFactor = max(0, dot(N,L))
顶点着色器代码：

#version 330 layout(location = 0) in vec3 position; layout(location = 1) in vec2 textCoord; layout(location = 2) in vec3 normal; out vec3 FragPos; out vec2 TextCoord; out vec3 FragNormal; uniform mat4 projection; uniform mat4 view; uniform mat4 model; void main() { gl_Position = projection * view * model * vec4(positon, 1.0); FragPos = vec3(model * vec4(position, 1.0)); TextCoord = textCoord; mat3 normalMatrix = mat3(transpose(inverse(model))); FragNormal = normalMatrix * normal; }

片元着色器代码：

#version 330precision mediump float; uniform vec3 lightPos; // 光源位置 uniform vec3 lightColor; uniform vec3 objectColor; in vec3 FragPos; // 模型变换的顶点位置 in vec2 TextCoord; in vec3 FragNormal; void main() {vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos); vec3 normal = normalize(FragNormal); float diffuseFactor = max(dot(lightDir, normal), 0.0); vec3 diffuse = diffuseFactor * lightColor * objectColor; gl_FragColor = vec4(diffuse, 1.0); }

镜面反射光

镜面光模拟的是物体表面光滑时反射的高亮光，镜面光反射的通常是光的颜色，而不是物体的颜色。
计算镜面光，需要考虑光源和顶点位置之间的向量L、法向量N、反射方向R、观察者和顶点位置之间的向量V之间的关系。

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镜面光.png

当R和V的夹角θ越小时，人眼观察到的镜面光成分越明显。镜面反射系数定义为：specFactor = cos(θ)^s，其中s表示镜面高光系数(shininess),它的值一般取2的整数幂，值越大则高光部分越集中。
镜面反射颜色 = 光源的镜面光颜色 * 物体的镜面光材质颜色 * specFactor

#version 330precision mediump float; uniform vec3 lightPos; // 光源位置 uniform vec3 lightColor; uniform vec3 objectColor; uniform vec3 viewPos; in vec3 FragPos; // 模型变换的顶点位置 in vec2 TextCoord; in vec3 FragNormal; void main() { // 镜面反射成分 float specularStrength = 0.5f; vec3 reflectDir = normalize(reflect(-lightDir, normal)); vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos); float specFactor = pow(max(dot(reflectDir, viewDir), 0.0), 32); //32为镜面高光系数 vec3 specular = specularStrength * specFactor * lightColor * objectColor; gl_FragColor = vec4(specular, 1.0); }

利用reflect函数计算光的出射方向时，要求入射方向指向物体表面位置，因此这里翻转了lightDir

材质属性

不同物体对光有不同的反映，要模拟不同物体接受光照后的效果，需要考虑物体的材质属性。
为物体指定材质属性时，可以为物体指定这三个不同成分的光的强度作为材质属性，同时加上高光系数shininess。
同时可以为光源不同成分指定不同的强度。片元着色器的代码为：

#version 330in vec3 FragPos; in vec2 TextCoord; in vec3 FragNormal; out vec4 color; // 材质属性结构体 struct MaterialAttr { vec3 ambient; // 环境光 vec3 diffuse; // 漫反射光 vec3 specular; // 镜面光 float shininess; //镜面高光系数 }; // 光源属性结构体 struct LightAttr { vec3 position; vec3 ambient; vec3 diffuse; vec3 specular; }; uniform MaterialAttr material; uniform LightAttr light; uniform vec3 viewPos; void main() { // 环境光成分 vec3ambient = light.ambient * material.ambient; // 漫反射光成分此时需要光线方向为指向光源 vec3lightDir = normalize(light.position - FragPos); vec3normal = normalize(FragNormal); floatdiffFactor = max(dot(lightDir, normal), 0.0); vec3diffuse = diffFactor * light.diffuse * material.diffuse; // 镜面反射成分此时需要光线方向为由光源指出 floatspecularStrength = 0.5f; vec3reflectDir = normalize(reflect(-lightDir, normal)); vec3viewDir = normalize(viewPos - FragPos); floatspecFactor = pow(max(dot(reflectDir, viewDir), 0.0), material.shininess); vec3specular = specFactor * light.specular * material.specular; vec3result = ambient + diffuse + specular; color= vec4(result , 1.0f); }

光源类型方向光源

方向光源的方向几乎是平行，只有一个方向。
不考虑光的衰减，它与光源的具体位置无关，只需要为它指定方向即可。
一般我们指定方向光源的方向时，习惯从光源指向物体，而在计算光照时，又需要从物体指向光源的方向，因此需要做一个翻转。

// 方向光源属性结构体 struct DirLightAttr { vec3 direction; // 方向光源 vec3 ambient; vec3 diffuse; vec3 specular; };
计算光照时，直接使用direction
vec3 lightDir = normalize(-light.direction)

点光源

物体与光源的距离d增大时，光照的强度将会减弱
光照强度的衰减系数Fatt与距离d之间的关系为：

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衰减因子.png

点光源结构体：
```
// 点光源属性结构体
struct PointLightAttr
{
vec3 position;
vec3 ambient;
vec3 diffuse;
vec3 specular;

float constant; // 衰减常数 float linear; // 衰减一次系数 float quadratic; // 衰减二次系数 }; ```计算光照强度后乘以衰减系数``` // 计算衰减因子 float distance = length(light.position - FragPos); // 在世界坐标系中计算距离 float attenuation = 1.0f / (light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * distance * distance); vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * attenuation; color= vec4(result , 1.0f); ```

聚光灯光源

聚光灯光源的特点是光只在一个指定的范围内发散。

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聚光灯.png

聚光灯需要指定3个属性：
- SpotDir 聚光灯的灯轴的方向
- LightPos 聚光灯的位置
- Cutoff 聚光灯的张角即图中的?
计算聚光灯的光照效果时需要计算的量为：
- lightDir 物体的位置和光源位置之差构成的光照射方向
- θ是lightDir与SpotDir之间的夹角
// 聚光灯光源属性结构体 struct SpotLightAttr { vec3 position; // 聚光灯的位置 vec3 direction; // 聚光灯的spot direction float cutoff; // 聚光灯张角的余弦值 vec3 ambient; vec3 diffuse; vec3 specular; float constant; // 衰减常数 float linear; // 衰减一次系数 float quadratic; // 衰减二次系数 };

片元着色器实现思路：

void main() { // 环境光成分 vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 光线与聚光灯spotDir夹角余弦值 float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction)); if(theta > light.cutoff) { // 在聚光灯张角范围内计算漫反射光成分镜面反射成分 } else { // 不在张角范围内时只有环境光成分 } }

参考博客 【OpenGL|OpenGL 光照基础】OpenGL学习脚印:光源类型和使用多个光源(Light source and multiple lights)
OpenGL学习脚印: 光照基础(basic lighting)
OpenGL学习脚印: 光照中材质和lighting maps使用(material and lighting maps)