OpenGL ES 光照模型之——漫反射光（RenderMonkey測試，地球日出效果）

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　　本文在上一篇（OpenGL ES 光照模型之——環境光照（RenderMonkey測試））環境光基礎上，增長漫反射光照。咱們主要使用漫反射光模擬太陽光，實現以下兩種效果：

　　　　一、地球自傳，太陽光固定的日出效果；

　　　　二、地球靜止，太陽光圍繞地球旋轉的效果。

　　本文主要包括以下方面內容：

　　　　一、漫反射光模型簡介；

　　　　二、地球自轉日出效果Shader實現；

　　　　三、地球靜止，太陽光圍繞地球旋轉Shader實現。

 

漫反射光照模型簡介

　　漫反射光的定義網上有各類說法，在此就不描述了，下面經過兩個圖形來表示：

　　

　（平行光）

（「散」射光）

　　如上兩個圖中，有人把第一個圖的平行光當作漫反射光，也有人把第二個圖的模型當作慢反射光。是的，若是第二個圖中光遠點T無限遠，那麼兩個光照模型的效果實際上是同樣的，但模型2更像是沒有衰減係數的點光源。

　　模型公式以下：

　    

　　其中：

　　   IDifuse爲漫反射光照強度；

　　   Id爲光源顏色；

　　   Kd能夠理解爲漫反射光照輸入強度；

　　   cosθ爲光線與發現的夾角；

　　咱們下面經過介紹的是使用第一種模型實現的效果。

地球自轉日出效果Shader實現

　　本段內容咱們先來看下利用RenderMonkey實現的OpenGL ES Shader日出模型的最終效果圖，以下圖所示：

（日出模型效果圖）

　　OK，咱們如今來具體看看如何使用RenderMonkey實現如上的效果。

　　咱們在上一篇（OpenGL ES 光照模型之——環境光照（RenderMonkey測試））的基礎上，在RenderMonkey工程中加入三個變量：gDiffStrength、time和angles。具體操做以下：

　　

　　其中：

　　gDiffStrength爲模型公式中的Kd，是一個float類型的數據；

　　time和angles均爲RenderMonkey與設置的float類型數據，且數據會在每一幀中會隨時間從0至2π變化。

　　GPU的Vertex Shader代碼實現以下：

//漫反射光照模型vertex shader示例代碼 1.0 http://www.cnblogs.com/feng-sc/
uniform   mat4 matViewProjection;
attribute vec4 rm_Vertex;
attribute vec2 rm_TexCoord0;
attribute vec3 rm_Normal; //法線輸入

varying   vec2 rm_Texcoord;
varying   vec3 fNormal;
uniform  float angles;

mat4 rotate(mat4 matrix, float a,vec3 v ) //矩陣旋轉函數shader實現
{
   float c = cos(a);
   float s = sin(a);
   vec3 axis = normalize(v);
   vec3 temp = (1.0 - c) * axis;
   matrix[0][0]   =   c + temp[0] * axis[0];
   matrix[0][1]   =   temp[0] * axis[1] + s * axis[2];
   matrix[0][2]   =    temp[0] * axis[2] - s * axis[1];
   matrix[0][3]   =   0.0;

   matrix[1][0]   =    temp[1] * axis[0] - s * axis[2];
   matrix[1][1]   =   c + temp[1] * axis[1];
   matrix[1][2]   =  temp[1] * axis[2] + s * axis[0];
   matrix[1][3]   =   0.0;

   matrix[2][0]   =   temp[2] * axis[0] + s * axis[1];
   matrix[2][1]   =   temp[2] * axis[1] - s * axis[0];
   matrix[2][2]   =   c + temp[2] * axis[2];
   matrix[2][3]   =   0.0;

   matrix[3][0]   =   0.0;
   matrix[3][1]   =   0.0;
   matrix[3][2]   =   0.0;
   matrix[3][3]   =   1.0;
   return  matrix;
}
void main( void )
{
    mat4 maxtrixWorld = mat4(1.0);
    maxtrixWorld = rotate(maxtrixWorld,angles * 10.0 ,vec3(0.0,1.0,0.0)); //定義模型矩陣，並使其圍繞y軸旋轉
    gl_Position = (matViewProjection * maxtrixWorld * rm_Vertex);
    rm_Texcoord    = rm_TexCoord0.xy;
    fNormal = (maxtrixWorld * vec4(rm_Normal,1.0)).xyz; //法線輸出，必須與定點同樣，通過模型矩陣變化
}

　　GPU的Fragment Shader實現代碼以下：

//漫反射光照模型fragment shader示例代碼 1.0 http://www.cnblogs.com/feng-sc/
#ifdef GL_FRAGMENT_PRECISION_HIGH
   // Default precision
   precision highp float;
#else
   precision mediump float;
#endif
uniform sampler2D baseMap;
uniform vec4 gAnbientColor;
uniform float gAmbientStrength;
uniform float gDiffStrength;
uniform float time;
varying vec2 rm_Texcoord;
varying vec3 fNormal;

vec4 AmbientColor() //計算環境光
{
   return gAnbientColor * gAmbientStrength;
}

vec4 DiffuseColor() //計算漫反射光
{
   //float diffFactor = max(dot(normalize(fNormal),normalize(vec3(sin(time * 10.0),0.0,cos(time * 10.0))) - vec3(0,0,0)),0.0);
   float diffFactor = max(dot(normalize(fNormal),vec3(0.0,0.0,1.0)),0.0); //定義光照方向爲vec3(0.0,0.0,1.0)，與法線求點積 return gAnbientColor * diffFactor * gDiffStrength;
}

void main( void )
{
   vec4 color = texture2D(baseMap,rm_Texcoord);
   vec4 ambientcolor = AmbientColor();
   vec4 diffusecolor = DiffuseColor();
   gl_FragColor = color * (ambientcolor + diffusecolor); //最後輸出顏色爲環境光顏色和漫反射光顏色相加，在與文理顏色作乘法混合
    
}

　　編譯如上兩段shader代碼後，RenderMonkey場景中最終能夠獲得咱們剛開始是的顯示效果圖。

地球靜止，太陽光圍繞地球旋轉Shader實現

　　一樣，本段內容咱們先來看下利用RenderMonkey實現的OpenGL ES Shader太陽圍繞地球旋轉的效果圖：

（太陽圍繞地球旋轉的效果圖）

 

　　GPU的Vertex Shader實現代碼以下，與上一段落 （地球自轉日出效果Shader實現）的Vertex Shader區別在於屏蔽掉了以下第8行地球自轉的代碼：

 1 //漫反射光照模型，太陽圍繞地球轉 vertex shader示例代碼 1.0 http://www.cnblogs.com/feng-sc/
 2 ……
 3 ……
 4 ……
 5 void main( void )
 6 {
 7     mat4 maxtrixWorld = mat4(1.0);
 8    // maxtrixWorld = rotate(maxtrixWorld,angles * 10.0 ,vec3(0.0,1.0,0.0)); //定義模型矩陣，並使其圍繞y軸旋轉
 9     gl_Position = (matViewProjection * maxtrixWorld * rm_Vertex);
10     rm_Texcoord    = rm_TexCoord0.xy;
11     fNormal = (maxtrixWorld * vec4(rm_Normal,1.0)).xyz; //法線輸出，必須與定點同樣，通過模型矩陣變化
12 }

 

　　GPU的Fragment Shader實現代碼以下，與上一段落 （地球自轉日出效果Shader實現）的Fragment Shader區別在於屏蔽掉了以下第8行漫反射光照代碼，而增長第7行。

　　第7行中的vec3(sin(time * 10.0),0.0,cos(time * 10.0))，根據time計算光源方向，time的變化範圍爲0至2π，所以，讓光源方向圍繞xz平面旋轉，得：

　　x = sin(time)

　　y = 0

　　z = cos(time)

　　注：代碼中的time*10中10沒有特別意義，只是讓光源方向移動得更快。

 1 //漫反射光照模型，太陽圍繞地球轉 fragment shader示例代碼 1.0 http://www.cnblogs.com/feng-sc/
 2 ……
 3 ……
 4 ……
 5 vec4 DiffuseColor() //計算漫反射光
 6 {
 7    float diffFactor = max(dot(normalize(fNormal),normalize(vec3(sin(time * 10.0),0.0,cos(time * 10.0))) - vec3(0,0,0)),0.0);
 8    //float diffFactor = max(dot(normalize(fNormal),vec3(0.0,0.0,1.0)),0.0); //定義光照方向爲vec3(0.0,0.0,1.0)，與法線求點積
 9    return gAnbientColor * diffFactor * gDiffStrength;
10 }
11 
12 ……
13 ……
14 ……