OpenGL學習筆記《八》光照

　　在理解opengl中的光照以前，先理解一下顏色。在咱們現實生活中，咱們看到的物體顏色，是物體反射的顏色，即沒有被物體吸取掉的部分。opengl利用這個，在系統中模擬的顏色，就是定義一個表示對象的顏色向量A，再頂一個一個表示光源的顏色向量B，而後在片斷着色器中將兩個向量相乘獲得表示物體的顏色。所以大體能夠理解爲，opengl中最終要渲染出的顏色，實際上是表示對象的顏色乘以某個影響係數，得出來的。

　　由於現實生活中的光照很是的複雜，早期計算設備條件不足的狀況下不能作很複雜的計算，得出的光照效果比較粗糙。近年來隨着計算設備能力的提高，開始出現光照追蹤技術，儘量的模擬出現實生活中的光照效果。

　　opengl中採用的光照模型，叫作馮氏光照模型（Phong lighting model），由三個份量組成：環境光（ambient），漫散射光（diffuse），鏡面反射光（specular），三個份量在opengl中分別使用一個vec3向量表示，vec3三個份量x，y，z分別表示r，g，b。單獨一個份量對最終渲染的影響，就是用表示份量顏色的向量去乘以對象顏色的向量，獲得的結果就是opengl系統模擬的對象在受光照影響下的效果。而馮氏光照模型，就是將三個份量的效果組合起來，獲得最終的影響效果。三種模式效果以下：

 

 

環境光（ambient）

　　在現實生活中光照的來源有不少，如別的物體反射過來的，所以可能在咱們並無直接看到光源的狀況下，咱們也能看到眼前的某些物體（即這些物體有反射光線過來）。馮氏光照模型中的環境光份量就是用來模擬這種效果，咱們在這裏簡單的模擬，即在光源顏色的基礎上乘以一個常量係數，獲得的就是環境光顏色，再將這個顏色乘以對象顏色，獲得模擬出來的效果，在這裏假定這個常量爲0.1，調整片元着色器代碼：

void main()
{
    float ambientStrength = 0.1;
    vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;

    vec3 result = ambient * objectColor;
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}  

獲得的效果以下：

 

 

 經過調整常量的值，咱們能夠模擬出在不一樣的光照強度下，對象的不一樣表現。

漫散射光（diffuse）

　　在現實生活中，以燈泡爲光源，咱們拿一個物體放到離燈泡不一樣的位置，物體表現出來的顏色效果會有不一樣，若是離的近、與燈泡垂直了，那麼物體表面就會更亮，若是離的遠那麼就會相對暗點。馮氏光照模型中的漫散射光份量模擬的就是這種效果，如下圖爲例：

 

 

 咱們提到的與燈泡垂直，離燈泡遠，其實能夠理解爲上圖中θ角度的變化，θ角度越小，即接近於垂直，那麼此時物體表現的就會越亮，反之則暗，參考上文中提到的環境光係數的影響，在這裏咱們也能夠模擬一個係數，來達到效果。從數學角度出發，兩個單位向量的點乘，結果等於兩個單位向量的模乘以兩個向量夾角的餘弦值，0-90度範圍內，夾角越小，值越大。所以在這裏咱們能夠根據這個特性，來模擬漫散射效果。

　　根據光源位置，頂點座標，咱們能夠獲得表示光源方向的環境向量，而後咱們再引入法線向量這個概念（垂直於表面的向量），用兩個向量相乘獲得的值，乘以光源的顏色就能夠獲得模擬漫反射的光源顏色，再將這個顏色乘以對象的顏色，就能夠模擬出漫反射影響下的對象表現效果。

　　兩個向量相減，能夠獲得一個表示方向的向量，在這裏咱們是用頂點的位置減去光源的位置，獲得一個從頂點位置指向光源的單位向量，而法線向量咱們能夠根據對象的形狀直接獲得，調整片元着色器代碼：

void main(){

    vec3 norm = normalize(oNormal);
    vec3 lightDir = normalize(u_lightPos - oFragPos);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0f);
    vec3 diffuse = diff * u_lightColor;

    float ambientStrength = 0.1f;
    vec3 ambient = ambientStrength * u_lightColor;
    vec3 result = (ambient + diffuse) * u_objectColor;

    FragColor = vec4(result, 1.0f);
}

　　由於咱們提到了是用單位向量進行計算，因此保險起見對於咱們要使用到的向量，都調用normalize處理一下。最終獲得的效果：

 

 

 光源的位置，是白色矩形的位置，從上圖就能夠看到與光源夾角越小的就更亮，不然就更暗。

鏡面反射光（specular）

　　在現實生活中，咱們也有這樣的體會，咱們從不一樣的角度去觀察物體，看到的效果也會不同。在馮氏光照模型中，使用鏡面反射光來模擬這個效果，以下圖所示：

 

 

 在這裏使用到的是光源向量基於法線對稱後，與表示視線方向向量的夾角，來模擬鏡面反射的效果，用兩個向量點乘後獲得的值，再乘以光源顏色，獲得表示鏡面反射光份量的顏色向量，再去乘以對象的顏色，獲得模擬出來的效果。調整後的片元着色器代碼：

void main(){
    float ambientStrength = 0.1f;
    vec3 ambient = ambientStrength * u_lightColor;

    vec3 norm = normalize(oNormal);
    vec3 lightDir = normalize(u_lightPos - oFragPos);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0f);
    vec3 diffuse = diff * u_lightColor;

    float specularStrength = 0.5f;
    vec3 viewDir = normalize(u_viewPos - oFragPos);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0f), 32);
    vec3 specular = specularStrength * spec * u_lightColor;

    vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * u_objectColor;
    FragColor = vec4(result, 1.0f);
}

咱們使用GLSL內置的reflect函數計算反射後的光源方向，而後計算與視線方向單位向量的夾角值，最後咱們取這個值的32次方值，取的次方值越高，在表現上就越像聚焦的效果，以下圖：

 

 最終咱們將三個份量的值相加，再去乘以對象的顏色，就獲得了馮氏光照模型下模擬出來的效果。

材質（Material）、Lighting map，投光物（Light caster）

　　現實生活中，光照的效果很是複雜，好比一組物體，離光源的遠近，會影響物體的亮度；木頭和鐵塊表現出來的效果不一樣；以聚光燈爲光源照射一組物體，中心區域的物體表現的會亮一點，周圍區域的會表現的暗一點。咱們上面提到的馮氏光照模型其實也能夠模擬出這種效果，咱們能夠看到上面的片元着色器代碼中，環境光、漫散射光、鏡面反射光都有乘以一個常量，若是咱們動態的去調整這個常量，就能夠獲得不一樣的效果。

　　如，咱們模擬一個離光源遠近，物體表現不一樣的效果，咱們能夠乘以一個衰減係數，這個衰減係數的計算有一個公式：

\begin{equation} F_{att} = \frac{1.0}{K_c + K_l * d + K_q * d^2} \end{equation}

　　其中，分子部分爲常量1，保證最終獲得的係數值須要小於1，分母由三個部分組成，一個常量項，一個線性項，一個二次項部分；d則表示距離光源的遠近，用來模擬下圖的係數值：

 

 　　即隨着距離的增長，係數值變小，到必定距離以後這個係數值基本維持在一個比較小的範圍。調整後的片元着色器代碼：

// attenuation
    float distance = length(u_light.position - oFragPos);
    float attenuation = 1.0 / (u_light.constant + u_light.linear * distance + u_light.quadratic * (distance * distance));

    // ambient
    vec3 ambient = u_light.ambient * vec3(texture(u_material.diffuse, oTexCoords));
    ambient *= attenuation;

    // diffuse
    vec3 norm = normalize(oNormal);
    vec3 lightDir = normalize(u_light.position - oFragPos);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0f);
    vec3 diffuse = u_light.diffuse * (diff * vec3(texture(u_material.diffuse, oTexCoords)));
    diffuse *= attenuation;

    // specular
    vec3 viewDir = normalize(u_viewPos - oFragPos);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0f), u_material.shininess);
    vec3 specular = u_light.specular * (spec * vec3(texture(u_material.specular, oTexCoords)));
    specular *= attenuation;

    vec3 result = (ambient + diffuse + specular);
    FragColor = vec4(result, 1.0f);

獲得的效果以下：

 

 

　　以上就是簡單的理解一下opengl中的光照。學習的網站上經過一個章節來說解，主要就是圍繞對馮氏光照模型的三個份量，乘以不一樣的係數值，來達到模擬現實生活中不一樣的效果。