OpenGL 光照基础

颜色与光照的关系

• 我们看到的物体的颜色，实际是光照射物体后发射的光进入眼睛后感受到的颜色，而不是物体实际材料的颜色。
• 光照射到物体上，一部分会被物体吸收，一部分被发射进入眼睛，我们看到的颜色就是反射后进入我们眼睛的颜色。
• 颜色吸收和反射的过程可以表示为：LightIntensity * ObjectColor = ReflectColor.
• 计算为：(R, G, B) * (X, Y, Z) = (XR, YG, ZB)

Phong Reflection Model

• Phong Reflection Model是经典的光照模型，它计算光照为：环境光 + 漫反射光 + 镜面光

环境光

• 环境光是场景中光源给定或者全局给定的一个光照常量。
• 它一般很小，主要是为了模拟计时场景中没有光照时，也不是全部黑屏的效果。
• 环境光 = 光源的环境光颜色 * 物体的环境光材质颜色

```
varying vec3 objectColor;
void main() {
    // 环境光成分，至少有10%的光照到物体的所有面
    float = ambientStrength = 0.1f;
    // 环境光颜色
    vec3 ambient = ambientStrength * lightColor * objectColor;
    gl_FragColor = vec4(ambient, 1.0); 
}
```

漫反射光

• 漫反射光强度与光线入射方向和物体表面的法向量之间的夹角θ相关。

  
  
  

  漫反射.png

• 需要计算的两个向量为：

  • 光源和顶点位置之间的向量L.
  • 法向量N 可以通过顶点属性指定，但顶点经过模型视图变换后需要重新计算。

• 在世界坐标系中，计算L时，光源lightPos是在世界坐标系中指定的位置，直接使用即可。

  • 顶点位置需要变换到世界坐标系中，利用模型(Model)矩阵进行变换：FragPos = vec3(model * vec4(position, 1.0)).

  • 计算N时，不能直接使用Model * normal来换取变换后的法向量，需要使用：Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * normal.

  • 其中inverse()为求矩阵的逆，transpose()求矩阵的转置。

• 漫反射颜色 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫反射材质颜色 * DiffuseFactor，其中 DiffuseFactor = max(0, dot(N,L))

  顶点着色器代码：

  #version 330
  layout(location = 0) in vec3 position;
  layout(location = 1) in vec2 textCoord;
  layout(location = 2) in vec3 normal;
  
  out vec3 FragPos;
  out vec2 TextCoord;
  out vec3 FragNormal;
  
  uniform mat4 projection;
  uniform mat4 view;
  uniform mat4 model;
  
  void main() {
      gl_Position = projection * view * model * vec4(positon, 1.0);
      FragPos = vec3(model * vec4(position, 1.0));
      TextCoord = textCoord;
      mat3 normalMatrix = mat3(transpose(inverse(model)));
      FragNormal = normalMatrix * normal;
  }
  

  片元着色器代码：

  #version 330
  
  precision mediump float;
  
  uniform vec3 lightPos;  // 光源位置
  uniform vec3 lightColor;
  uniform vec3 objectColor;
  
  in vec3 FragPos;       // 模型变换的顶点位置
  in vec2 TextCoord;
  in vec3 FragNormal;
  
  void main() {
  
      vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
      vec3 normal = normalize(FragNormal);
      float diffuseFactor = max(dot(lightDir, normal), 0.0);
      vec3 diffuse = diffuseFactor * lightColor * objectColor;
      gl_FragColor = vec4(diffuse, 1.0);
  }
  

镜面反射光

• 镜面光模拟的是物体表面光滑时反射的高亮光，镜面光反射的通常是光的颜色，而不是物体的颜色。

• 计算镜面光，需要考虑光源和顶点位置之间的向量L、法向量N、反射方向R、观察者和顶点位置之间的向量V之间的关系。

  
  
  

  镜面光.png

• 当R和V的夹角θ越小时，人眼观察到的镜面光成分越明显。镜面反射系数定义为：specFactor = cos(θ)^s， 其中s表示镜面高光系数(shininess),它的值一般取2的整数幂，值越大则高光部分越集中。

• 镜面反射颜色 = 光源的镜面光颜色 * 物体的镜面光材质颜色 * specFactor

  #version 330
  
  precision mediump float;
      
  uniform vec3 lightPos;  // 光源位置
  uniform vec3 lightColor;
  uniform vec3 objectColor;
  uniform vec3 viewPos;
      
  in vec3 FragPos;       // 模型变换的顶点位置
  in vec2 TextCoord;
  in vec3 FragNormal;
  
  void main() {
      // 镜面反射成分
      float specularStrength = 0.5f;
      vec3 reflectDir = normalize(reflect(-lightDir, normal));
      vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
      float specFactor = pow(max(dot(reflectDir, viewDir), 0.0), 32); //32为镜面高光系数
      vec3 specular = specularStrength * specFactor * lightColor * objectColor;
      gl_FragColor = vec4(specular, 1.0); 
  }
  
  

  利用reflect函数计算光的出射方向时，要求入射方向指向物体表面位置，因此这里翻转了lightDir

材质属性

• 不同物体对光有不同的反映，要模拟不同物体接受光照后的效果，需要考虑物体的材质属性。

• 为物体指定材质属性时，可以为物体指定这三个不同成分的光的强度作为材质属性，同时加上高光系数shininess。

• 同时可以为光源不同成分指定不同的强度。片元着色器的代码为：

  #version 330
  
  in vec3 FragPos;
  in vec2 TextCoord;
  in vec3 FragNormal;
  
  out vec4 color;
  
  // 材质属性结构体
  struct MaterialAttr
  {
      vec3 ambient;   // 环境光
      vec3 diffuse;    // 漫反射光
      vec3 specular;   // 镜面光
      float shininess; //镜面高光系数
  };
  // 光源属性结构体
  struct LightAttr
  {
      vec3 position;
      vec3 ambient;
      vec3 diffuse;
      vec3 specular;
  };
  
  uniform MaterialAttr material;
  uniform LightAttr light;
  uniform vec3 viewPos;
  
  void main()
  {   
      // 环境光成分
      vec3    ambient = light.ambient * material.ambient;
  
      // 漫反射光成分 此时需要光线方向为指向光源
      vec3    lightDir = normalize(light.position - FragPos);
      vec3    normal = normalize(FragNormal);
      float   diffFactor = max(dot(lightDir, normal), 0.0);
      vec3    diffuse = diffFactor * light.diffuse * material.diffuse;
  
      // 镜面反射成分 此时需要光线方向为由光源指出
      float   specularStrength = 0.5f;
      vec3    reflectDir = normalize(reflect(-lightDir, normal));
      vec3    viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
      float   specFactor = pow(max(dot(reflectDir, viewDir), 0.0), material.shininess);
      vec3    specular = specFactor * light.specular * material.specular;
  
      vec3    result = ambient + diffuse + specular;
      color   = vec4(result , 1.0f);
  }
  

光源类型

方向光源

• 方向光源的方向几乎是平行，只有一个方向。

• 不考虑光的衰减，它与光源的具体位置无关，只需要为它指定方向即可。

• 一般我们指定方向光源的方向时，习惯从光源指向物体，而在计算光照时，又需要从物体指向光源的方向，因此需要做一个翻转。

  // 方向光源属性结构体
  struct DirLightAttr
  {
      vec3 direction; // 方向光源
      vec3 ambient;
      vec3 diffuse;
      vec3 specular;
  };
  

• 计算光照时，直接使用direction
vec3 lightDir = normalize(-light.direction)

点光源

• 物体与光源的距离d增大时，光照的强度将会减弱
• 光照强度的衰减系数Fatt与距离d之间的关系为：
  
  

  衰减因子.png

点光源结构体：
```
// 点光源属性结构体
struct PointLightAttr
{
vec3 position;
vec3 ambient;
vec3 diffuse;
vec3 specular;

    float constant; // 衰减常数
    float linear;   // 衰减一次系数
    float quadratic; // 衰减二次系数
};
```

计算光照强度后乘以衰减系数

```
  // 计算衰减因子
float distance = length(light.position - FragPos); // 在世界坐标系中计算距离
float attenuation = 1.0f / (light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * distance * distance);
vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * attenuation;
color   = vec4(result , 1.0f);
```

聚光灯光源

• 聚光灯光源的特点是光只在一个指定的范围内发散。

  
  
  

  聚光灯.png

• 聚光灯需要指定3个属性：

  • SpotDir 聚光灯的灯轴的方向
  • LightPos 聚光灯的位置
  • Cutoff 聚光灯的张角 即图中的ϕ

• 计算聚光灯的光照效果时需要计算的量为：

  • lightDir 物体的位置和光源位置之差构成的光照射方向
  • θ是lightDir与SpotDir之间的夹角

    // 聚光灯光源属性结构体
  struct SpotLightAttr
  {
      vec3 position;  // 聚光灯的位置
      vec3 direction; // 聚光灯的spot direction
      float cutoff;   // 聚光灯张角的余弦值
      vec3 ambient;
      vec3 diffuse;
      vec3 specular;
  
      float constant; // 衰减常数
      float linear;   // 衰减一次系数
      float quadratic; // 衰减二次系数
  };
  
  

  片元着色器实现思路：

     void main()
  {   
     // 环境光成分
     vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);
     // 光线与聚光灯spotDir夹角余弦值
     float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
      if(theta > light.cutoff)    
      {
          // 在聚光灯张角范围内 计算漫反射光成分 镜面反射成分 
      }
      else
      {
          // 不在张角范围内时只有环境光成分
      }
  }
  

参考博客

OpenGL学习脚印:光源类型和使用多个光源(Light source and multiple lights)
OpenGL学习脚印: 光照基础(basic lighting)
OpenGL学习脚印: 光照中材质和lighting maps使用(material and lighting maps)