GPU编程之GLSL（六）——着色与逐顶点光照
=======================================基础知识=============================================================
有一个疑问：
顶点shader和片段shader都可以改变颜色，顶点shader可以改变物体的形状，那么片段shader可以改变物体形状么？他们的本质区别是什么呢
顶点shader：可以在此改变顶点坐标，即改变物体形状
最简单的语句即为：
void main()
{
gl_Position =ftransform();
}
片段shader：可以在此改变物体颜色
以下程序可以将物体设置为淡蓝色
void main()
{
gl_FragColor =vec4(0.4,0.4,0.8,1.0);
}
GLSL获取OpenGL颜色信息方式如下：
顶点着色器：
void main()
{
gl_FrontColor =gl_Color;
gl_Position =ftransform();
} 片段着色器：
void main()
{
gl_FragColor = gl_Color;
}
因为变量已经定义好了其代表的信息
1、OpenGL程序通过glColor传送颜色信息。
2、顶点shader通过属性gl_Color接收颜色值。
3、顶点shader计算正面和反面的颜色，然后分别保存在gl_FrontColor和gl_BackColor中。
4、片断shader接收易变变量gl_Color中存储的插值产生的颜色，由当前图元的方向决定颜色是gl_FrontColor还是gl_BackColor插值产生的。
5、片断shader根据易变变量gl_Color设置gl_FragColor。
我们不仅可以改变物体的颜色，也可以改变物体的形状，如果想要使物体成为扁平的3D模型，则使用扁平shader
void main(void)
{
vec4 v = vec4(gl_Vertex);
v.z = 0.0;
gl_Position =gl_ModelViewProjectionMatrix * v;
} 与其他编程方式一样，可以对Z坐标或是其他坐标做其他方式的处理，如添加变量使之可以形成动画等，但是在GLSL中不可以有变量，所用到的变量需要从OpenGL中定义好并传输过来，如：
uniform float time;
那么如何在OpenGL中设置变量呢，就需要用到如下语句：
loc =glGetUniformLocation(p,"time"); 其中time是与shader中定义的变量名称相同，
之后在OpenGL中改变time变量，即用类似下边的语句即可：
glUniform1f(loc, time);
time+=0.01;
=======================================卡通着色=============================================================
逐顶点计算色调强度（intensity）的方法
lightDir是由OpenGL程序提供的，所以我们可以假定它传到shader之前已经归一化了。只有光线方向改变时，才需要重新计算归一化。此外OpenGL程序传过来的法线gl_Normal也应该是经过归一化的。
uniform vec3 lightDir; GLSL提供dot函数来计算两个向量的夹角余弦值
intensity = dot(lightDir, gl_Normal);最后顶点要做的就是变换顶点坐标。顶点shader的完整代码如下：
uniform vec3 lightDir;
varying float intensity;
void main()
{
intensity = dot(lightDir,gl_Normal);
gl_Position = ftransform();
} 如果想使用OpenGL中的变量作为光的方向，那么可以用gl_LightSource[0].position代替一致变量lightDir
即在main函数第一行加上：
vec3 lightDir = normalize(vec3(gl_LightSource[0].position)); 可以将茶壶设置不同的颜色显示，并拥有立体效果，余弦大于0.95时使用最亮的颜色，小于0.25时使用最暗的颜色。得到这个颜色后只需要再将其写入gl_FragColor即可，片断shader的完整代码如下：
varying float intensity;
void main()
{
vec4 color;
if (intensity > 0.95)
color = vec4(1.0,0.5,0.5,1.0);
else if (intensity > 0.5)
color = vec4(0.6,0.3,0.3,1.0);
else if (intensity > 0.25)
color = vec4(0.4,0.2,0.2,1.0);
else
color = vec4(0.2,0.1,0.1,1.0);
gl_FragColor = color;
}
把计算移到片断shader中
顶点shader的代码：
varying vec3 normal;
void main()
{
normal = gl_Normal;
gl_Position = ftransform();
}
片段shader的代码——注意第7行，对法线归一化
uniform vec3 lightDir;
varying vec3 normal;
void main()
{
float intensity;
vec4 color;
intensity = dot(lightDir,normalize(normal));
if (intensity > 0.95)
color = vec4(1.0,0.5,0.5,1.0);
else if (intensity > 0.5)
color = vec4(0.6,0.3,0.3,1.0);
else if (intensity > 0.25)
color = vec4(0.4,0.2,0.2,1.0);
else
color = vec4(0.2,0.1,0.1,1.0);
gl_FragColor = color;
}
访问OpenGL中光源的方向：
OpenGL中定义light0为方向光
float lpos[4] = {1.0,0.0,1.0,0.0};
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lpos);而GLSL已经有了这样的结构体：
struct gl_LightSourceParameters
{
vec4 ambient;
vec4 diffuse;
vec4 specular;
vec4 position;
...
};
uniform gl_LightSourceParameters gl_LightSource[gl_MaxLights]; 我们只需调用即可
因此顶点shader为：
varying vec3 normal;
void main()
{
normal = gl_NormalMatrix * gl_Normal;
gl_Position = ftransform();
}
片段shader为：
varying vec3 normal;
void main()
{
float intensity;
vec4 color;
vec3 n = normalize(normal);
intensity = dot(vec3(gl_LightSource[0].position),n);
if (intensity > 0.95)
color = vec4(1.0,0.5,0.5,1.0);
else if (intensity > 0.5)
color = vec4(0.6,0.3,0.3,1.0);
else if (intensity > 0.25)
color = vec4(0.4,0.2,0.2,1.0);
else
color = vec4(0.2,0.1,0.1,1.0);
gl_FragColor = color;
}
=======================================逐顶点光照=========================================================
在了解光照之前，我们需要明确在GLSL中我们可以使用的变量有哪些：
首先是光照参数：
struct gl_LightSourceParameters
{
vec4 ambient;
vec4 diffuse;
vec4 specular;
vec4 position;
vec4 halfVector;
vec3 spotDirection;
float spotExponent;
float spotCutoff; // (range: [0.0,90.0], 180.0)
float spotCosCutoff; // (range: [1.0,0.0],-1.0)
float constantAttenuation;
float linearAttenuation;
float quadraticAttenuation;
};
uniform gl_LightSourceParameters gl_LightSource[gl_MaxLights];
struct gl_LightModelParameters
{
vec4 ambient;
};
uniform gl_LightModelParameters gl_LightModel; 然后是材质参数：
struct gl_MaterialParameters
{
vec4 emission;
vec4 ambient;
vec4 diffuse;
vec4 specular;
float shininess;
};
uniform gl_MaterialParameters gl_FrontMaterial;
uniform gl_MaterialParameters gl_BackMaterial;
这里我们就不讲过多的理论知识了，毕竟编程还是比较重要的，通过看代码，我们来学习一下各个函数的使用方法：
我们需要知道的是计算散射光的公式为：
反射光强度=光源的散射成分(gl_LightSource[0].difuse) * 材质的散射系数(gl_FrontMaterial.diffuse) * cos(theta)
其中：theta为光线与法向的夹角。
因此顶点shader代码为：
void main()
{
vec3 normal, lightDir;
vec4 diffuse;
float NdotL;
/* 将gl_Normal转换到视口矩阵并归一化*/
normal = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);
/* 归一化光线方向*/
lightDir = normalize(vec3(gl_LightSource[0].position));
/* 计算光线与法线夹角余弦 */
NdotL = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
/* 计算散射光，是由下边两个公式共同计算得到*/
diffuse = gl_FrontMaterial.diffuse * gl_LightSource[0].diffuse;
gl_FrontColor = NdotL * diffuse;
gl_Position = ftransform();
} 片段shader代码为：
void main()
{
gl_FragColor = gl_Color;
}
此时我们只加入了散射光，并没有环境光，物体的颜色并不理想，在此引入环境光的计算方法：
只需在片段shader中加入（最后一行用于替换）以下公式即可：
ambient = gl_FrontMaterial.ambient * gl_LightSource[0].ambient;
globalAmbient = gl_FrontMaterial.ambient * gl_LightModel.ambient;
gl_FrontColor = NdotL * diffuse + globalAmbient + ambient;
镜面反射光：
if (NdotL > 0.0)
{
// normalize the half-vector, and then compute the
// cosine (dot product) with the normal
NdotHV = max(dot(normal, gl_LightSource[0].halfVector.xyz),0.0);
specular = gl_FrontMaterial.specular * gl_LightSource[0].specular *
pow(NdotHV,gl_FrontMaterial.shininess);
} 最后的总的光计算公式改为：
gl_FrontColor = globalAmbient + NdotL * diffuse + ambient + specular;
内容参考自 http://blog.csdn.net/racehorse?viewmode=contents
公式来自《OpenGL编程指南》中“和光照有关的数学知识”一章