OpenGL ES 学习教程(十) Light casters 之 Spot Light (聚光灯)

本文参考

http://learnopengl-cn.readthedocs.org/zh/latest/02%20Lighting/05%20Light%20casters/

这里是最后一种光 了，前面学习了 平行光、定点光，这一次来学习 聚光灯。

聚光灯 是朝某一个方向 照射的光，而且有一个固定的半径 ，在这个半径之内，物体才受到光照影响，这个范围之外的物体就不会被光照影响到。

聚光灯在现实生活中的例子有：手电筒、路灯等。 转自http://blog.csdn.net/huutu http://www.thisisgame.com.cn

( 游戏中的手电筒 就是聚光灯 )

简单的来说，聚光灯就是指定一个圈，在这个圈里面就计算光照，在这个圈外面就不计算光照。

我简单的画了一张图来解释转自http://blog.csdn.net/huutu http://www.thisisgame.com.cn

仍然以前面的 Lighting Map (高光贴图) 工程来进行修改，去除 Diffuse 和 Specular ，只保留 Ambient 来便于测试。

首先在 片段着色器中修改 Light ，添加 position ( 聚光灯位置 ) 、 spotdirection ( 聚光灯指向 ) 、cutOff ( 聚光灯范围 指定角度的 cos 值 )。

如下 ( GLProgram_Cube.h Line 108 )：

"struct Light"  //替换光的RGB分量强度
"{"
"		vec3 position;" //聚光灯 位置;
"		vec3 spotdirection;" //聚光灯 指向，就像路灯总是指向地面，我这里是指向屏幕里面;
"		vec3 ambient;"

"		float cutOff;"	//聚光灯范围 cos(角度);
"};"

然后计算片段 指向 光源 的向量;

计算 (片段-光源) 向量 与 聚光灯指向向量的角度的余弦值.
如果计算出来的值比 指定的聚光灯范围 cos(角度) 的值更大，说明角度更小，在聚光灯范围内，就照亮，否则就黑的。

如下 ( GLProgram_Cube.h Line 120 )：转自http://blog.csdn.net/huutu http://www.thisisgame.com.cn

"void main()"
"{"

"	vec3 lightDir=normalize(m_light.position - out_fragpos);" //计算片段 指向 光源 的向量;
"	float theta = dot(lightDir,normalize(-m_light.spotdirection));" //计算 (片段-光源) 向量 与 聚光灯指向向量的角度的余弦值.  这个灯光的方向 是指向屏幕里面的,所以这里用了负值！！
"	if(theta > m_light.cutOff)"    //如果计算出来的值比 指定的聚光灯范围 cos(角度) 的值更大，说明角度更小，在聚光灯范围内，就照亮，否则就黑的。
"	{"
	"	vec3 ambient=vec3(texture2D(m_diffusetexture,m_outUV))*m_light.ambient;"//环境光;

	"	gl_FragColor=vec4(ambient,1.0);"
"	}"
"	else"
"	{"
	"	gl_FragColor=vec4(0.0,0.0,0.0,1.0);"
"	}"
"}"

然后获取属性 ( GLProgram_Cube.h Line 150 )：

m_lightspotdirection = glGetUniformLocation(m_programId, "m_light.spotdirection");
m_lightAmbient = glGetUniformLocation(m_programId, "m_light.ambient");
m_lightpos = glGetUniformLocation(m_programId, "m_light.position");

m_lightCutOff = glGetUniformLocation(m_programId, "m_light.cutOff");

然后设置属性值 ( MyApp.h Line 111 )：

//传入light;
glUniform3f(m_programCube.m_lightpos, cameraX, cameraY, 10.0f);//传入灯光的位置

glUniform3f(m_programCube.m_lightAmbient, 1.0f, 1.0f, 1.0f);

glUniform3f(m_programCube.m_lightspotdirection, cameraX, cameraY, -1.0f); //灯光朝向;

float cos = glm::cos(glm::radians(12.0f)); //话说我这个相机的距离 ，和这个Cube的角度，不到30度;

glUniform1f(m_programCube.m_lightCutOff, cos);

我们计算一下，我这里创建了 9 个箱子，X 轴范围是 -3 到 3 。聚光灯的位置是 (0,0,10) ，聚光灯是朝向 ( 0,0,-1 ) 。

那么可以算的 这 9 个箱子 ，在聚光灯的 30度范围之内。

所以我这里取了 12度 来作为测试。

转自http://blog.csdn.net/huutu http://www.thisisgame.com.cn

测试结果

测试工程下载：

http://pan.baidu.com/s/1jHpYiSe

上面的聚光灯效果太硬，边缘分界太明显，我们可以在边缘处加一个慢慢变暗的效果。

在上面工程基础上，我们给聚光灯添加一个外边框范围 outerCutOff 。

然后通过计算片段位置 与 内边框 和外边框的距离远近，来调整边缘处灯光的强弱。

首先添加外边框范围 outerCutOff ( GLProgram_Cube.h Line106 )

"struct Light"  //替换光的RGB分量强度
"{"
"		vec3 position;" //聚光灯 位置;
"		vec3 spotdirection;" //聚光灯 指向，就像路灯总是指向地面，我这里是指向屏幕里面;
"		vec3 ambient;"

"		float cutOff;"	//聚光灯范围 cos(角度) 内圈;
"		float outerCutOff;" //聚光灯范围 cos(角度) 外圈;
"};"
"uniform Light m_light;"

然后计算 内圈和外圈之间的光照亮度变化 ( GLProgram_Cube.h Line119 )

"void main()"
"{"

"	vec3 lightDir=normalize(m_light.position - out_fragpos);" //计算片段 指向 光源 的向量;
"	float theta = dot(lightDir,normalize(-m_light.spotdirection));" //计算 (片段-光源) 向量 与 聚光灯指向向量的角度的余弦值.  这个灯光的方向 是指向屏幕里面的,所以这里用了负值！！

"	float epsion = m_light.cutOff - m_light.outerCutOff;" //cos(内圈与聚光灯方向角度) - cos(外圈与聚光灯方向角度);
"	float autenuation = clamp( (theta - m_light.outerCutOff) / epsion ,0.0,1.0 );"//然后用cos(片段与聚光灯方向角度) - cos(外圈与聚光灯方向角度)。这个意思就是，当片段已经到达 内圈边缘的时候，autenuation=(内圈角度-外圈角度) / (内圈角度-外圈角度) ==1 ,受到100% 光照。然后如果片段已经到达外圈边缘的时候，autenuation = (外圈角度-外圈角度) / (内圈角度-外圈角度) ==0，就没有光照了。片段越靠近外圈边缘，光照越弱，直到到达了外圈边缘，就没有了光照。


"	vec3 ambient=vec3(texture2D(m_diffusetexture,m_outUV))*m_light.ambient;"//环境光;

"	ambient = ambient * autenuation;"

"	gl_FragColor=vec4(ambient,1.0);"
"}"

这里使用了 clamp 来限定值范围为 ( 0.0 , 1.0 )

autenuation 是这样算的：

用cos(片段与聚光灯方向角度) - cos(外圈与聚光灯方向角度)。

这个意思就是，当片段已经到达 内圈边缘的时候，autenuation=(内圈角度-外圈角度) / (内圈角度-外圈角度) ==1 ,受到100% 光照。然后如果片段已经到达外圈边缘的时候，autenuation = (外圈角度-外圈角度) / (内圈角度-外圈角度) ==0，就没有光照了。片段越靠近外圈边缘，光照越弱，直到到达了外圈边缘，就没有了光照。

然后传入值 ( MyApp.h Line118 )

float cutoffCos = glm::cos(glm::radians(12.0f)); //话说我这个相机的距离 ，和这个Cube的角度，不到30度;

float outcutoffCos = glm::cos(glm::radians(20.0f));

glUniform1f(m_programCube.m_lightCutOff, cutoffCos);

glUniform1f(m_programCube.m_lightOuterCutOff, outcutoffCos);

这里选定 12度 为内圈， 20度为外圈，测试效果如下图：

测试项目下载：

http://pan.baidu.com/s/1mh31fUK