OpenGL ES教程——光照进阶

上一篇根底光照论述了opengl中色彩的界说，运用以及冯氏光照模型。本篇继续讲和光照相关的原料、光照贴图、投光物等知识。

1、原料

实际世界里，不同的原料在光照下有不同的表现，比方，金属制品在阳光下闪闪发光，但木头就不会，所以咱们需求界说物体原料做区分

依据冯氏光照模型，原料也会用以下三个重量来界说：

• 环境光照
• 漫反射光照
• 镜面光照

再加上反光度，这样就能够界说原料了：

struct Material {
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
    float shininess;
};
uniform Material material;

在片段着色器中界说如上结构体，并且界说结构体uniform类型变量，那该怎样给这种类型的uniform变量赋值呢？

objectShader.setVec3("material.ambient",  1.0f, 0.5f, 0.31f);

2、光照

已然原料都已经按冯氏光照模型三个维度界说了，光照也是需求按冯氏模型维度界说的：

struct Light {
    vec3 position;
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};
uniform Light light;

在核算色彩输出时，需求光源的方位信息，所以光源结构体中也增加了光源的方位信息。

这样在核算终究色彩输出时，比方漫反射输出，则用原料的漫反射色彩乘以光源的漫反射色彩即可，一般写法为：

void main()
{
    vec3 ambient = light.ambient * material.ambient;
    vec3 norm = normalize(normal);
    vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
    vec3 diffuse = light.diffuse * (diff * material.diffuse);
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - fragPos);
    vec3 reflectDir =  reflect(-lightDir, norm);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    vec3 specular = light.specular * (spec * material.specular);
    vec3 result = ambient + diffuse + specular;
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

3、光照贴图

现在光照作用只运用了色彩，假如要运用纹路怎样办呢？由于实在场景中，肯定是纹路运用得更多，更实在

纹路代表着一个buf，这个buf或许代表着一张图片，或许一段视频中的yuv某个重量数据，能够以为就是无数色彩的合集，那原料能用色彩，也能够用纹路，所以原料能够这么界说：

struct Material {
    sampler2D  diffuse;
    sampler2D  specular;
    float shininess;
};
uniform Material material;

所以，现在需求咱们给uniform变量赋值，然后再来核算终究色彩输出：

//设置原料纹路id，纹路id就是0，1这类
objectShader.setInt("material.diffuse", 0);
objectShader.setInt("material.specular", 1);
//然后核算终究色彩输出，运用texture函数核算色彩值
void main()
{
    vec3 ambient = light.ambient * (texture(material.diffuse, texCoords)).rgb;
    vec3 norm = normalize(normal);
    vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
    vec3 diffuse = light.diffuse * diff * (texture(material.diffuse, texCoords)).rgb;
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - fragPos);
    vec3 reflectDir =  reflect(-lightDir, norm);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    vec3 specular = light.specular * spec * (texture(material.specular, texCoords)).rgb;
    vec3 result = ambient + diffuse + specular;
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

4、平行光

光源有多种类型，平行光是其间一种。

• 平行光，比方说太阳，光照强度满足强，间隔满足远
• 点光源，比方说灯泡，理论上点光源只能照亮点光源附近的当地，无法照亮远处
• 聚光，类似于手电筒，在光的规模内可照亮物体，规模之外则无法照亮物体

还记得上一节中，光源结构体有个position变量，平行光是不需求光源的方位的，咱们只需求光的方向，所以针对平行光，position变direction

struct Light {
    // vec3 position; 
    // 运用定向光就不再需求了 
    vec3 direction; 
    vec3 ambient; 
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};
//核算光广告，也需求改一改
vec3 lightDir = normalize(-light.direction);

5、点光源

一开始学习的示例就是点光源，但有一个特性，点光源没有考虑到。就是衰减，理论上离点光源方位越远，就会越暗，那怎样核算间隔，并且核算光亮的程度呢？

glsl中有函数，能够核算间隔：

float distance = length(light.position - fragPos);

衰减系数如上述公式，d既是间隔，公式里这几个参数一般按如下方式挑选：

间隔	常数项	一次项	二次项
7	1.0	0.7	1.8
13	1.0	0.35	0.44
20	1.0	0.22	0.20
32	1.0	0.14	0.07
50	1.0	0.09	0.032
65	1.0	0.07	0.017
100	1.0	0.045	0.0075
160	1.0	0.027	0.0028
200	1.0	0.022	0.0019
325	1.0	0.014	0.0007
600	1.0	0.007	0.0002
3250	1.0	0.0014	0.000007

综上，点光源结构体应该这么界说：

struct Light {
    vec3 position;
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
    //下边3个成员别离是常量、一次项系数、二次项系数
    float constant;
    float linear;
    float quadratic;
};
float attenuation = 1.0/(light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * distance * distance);

间隔衰减系数核算如上，最后把漫反射以及镜面成果别离自乘这个系数即可。

6、聚光

还有一种光源像手电筒相同，它能射出一定规模内的光线。

• LightDir：从片段指向光源的向量。
• SpotDir：聚光所指向的方向。
• Phi： 指定了聚光半径的切光角。落在这个角度之外的物体都不会被这个聚光所照亮。
• Theta：LightDir向量和SpotDir向量之间的夹角。在聚光内部的话值应该比值小

所以，光源结构体就要这么界说了：

struct Light {
    vec3 position;
    vec3 direction;
    float cutOff;
    float outCutOff;
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
    float constant;
    float linear;
    float quadratic;
};

position是光源方位，direction是聚光源的指向，上图就是正向下

float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
if(theta > light.cutOff) 
{       
  // 履行光照核算
}
else  // 不然，运用环境光，让场景在聚光之外时不至于完全漆黑
  color = vec4(light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)), 1.0);

但这么做会有个问题，很突兀，比方这样：

所以，为了解决这个问题，需求做边际滑润作业。

为了创立一种看起来边际滑润的聚光，咱们需求模仿聚光有一个内圆锥(Inner Cone)和一个外圆锥(Outer Cone)。咱们能够将内圆锥设置为上一部分中的那个圆锥，但咱们也需求一个外圆锥，来让光从内圆锥逐渐减暗，直到外圆锥的边界。

为了创立一个外圆锥，咱们只需求再界说一个余弦值来代表聚光方向向量和外圆锥向量（等于它的半径）的夹角。然后，假如一个片段处于表里圆锥之间，将会给它核算出一个0.0到1.0之间的强度值。假如片段在内圆锥之内，它的强度就是1.0，假如在外圆锥之外强度值就是0.0。

咱们能够用下面这个公式来核算这个值：

void main()
{
    vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);
    float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
    float epsilon = light.cutOff - light.outCutOff;
    float intensity = clamp((theta - light.outCutOff)/epsilon, 0.0, 1.0);
    float distance = length(light.position - fragPos);
    float attenuation = 1.0/(light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * distance * distance);
    vec3 ambient = light.ambient * (texture(material.diffuse, texCoords)).rgb;
    //        ambient = ambient * attenuation;
    vec3 norm = normalize(normal);
    //假如传的是方向值 ，就直接核算光方向的单位向量
    //    vec3 lightDir = normalize(-light.direction);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
    vec3 diffuse = light.diffuse * diff * (texture(material.diffuse, texCoords)).rgb;
    //        diffuse = diffuse * attenuation;
    diffuse *= intensity;
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - fragPos);
    vec3 reflectDir =  reflect(-lightDir, norm);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    vec3 specular = light.specular * spec * (texture(material.specular, texCoords)).rgb;
    //        specular = specular * attenuation;
    specular *= intensity;
    vec3 result = ambient + diffuse + specular;
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}