OpenGL光照之投光物
文章目录
- 平行光
- 点光源
- 衰减
-
- 实现衰减
- 聚光
- 手电筒
- 平滑/软化边缘
- 完整代码
我们目前使用的光照都来自于空间中的一个点。它能给我们不错的效果，但现实世界中，我们有很多种类的光照，每种的表现都不同。将光投射(Cast)到物体的光源叫做投光物(Light Caster)。
平行光
当一个光源处于很远的地方时，来自光源的每条光线就会近似于互相平行。不论物体和/或者观察者的位置，看起来好像所有的光都来自于同一个方向。当我们使用一个假设光源处于无限远处的模型时，它就被称为定向光，因为它的所有光线都有着相同的方向，它与光源的位置是没有关系的。
定向光非常好的一个例子就是太阳。太阳距离我们并不是无限远，但它已经远到在光照计算中可以把它视为无限远了。所以来自太阳的所有光线将被模拟为平行光线，我们可以在下图看到：
因为所有的光线都是平行的，所以物体与光源的相对位置是不重要的，因为对场景中每一个物体光的方向都是一致的。由于光的位置向量保持一致，场景中每个物体的光照计算将会是类似的。
我们可以定义一个光线方向向量而不是位置向量来模拟一个定向光。着色器的计算基本保持不变，但这次我们将直接使用光的direction向量而不是通过position来计算lightDir向量。
struct Light {
// vec3 position; // 使用定向光就不再需要了
vec3 direction;
vec3 ambient;
vec3 diffuse;
vec3 specular;
};
...
void main()
{
vec3 lightDir = normalize(-light.direction);
...
}
注意我们首先对light.direction向量取反。我们目前使用的光照计算需求一个从片段至光源的光线方向，但人们更习惯定义定向光为一个从光源出发的全局方向。所以我们需要对全局光照方向向量取反来改变它的方向，它现在是一个指向光源的方向向量了。而且，记得对向量进行标准化，假设输入向量为一个单位向量是很不明智的。
最终的lightDir向量将和以前一样用在漫反射和镜面光计算中。
为了清楚地展示定向光对多个物体具有相同的影响，我们将会再次使用坐标系统章节最后的那个箱子派对的场景。如果你错过了派对，我们先定义了十个不同的箱子位置，并对每个箱子都生成了一个不同的模型矩阵，每个模型矩阵都包含了对应的局部-世界坐标变换：
for(unsigned int i = 0; i < 10; i++)
{
glm::mat4 model;
model = glm::translate(model, cubePositions[i]);
float angle = 20.0f * i;
model = glm::rotate(model, glm::radians(angle), glm::vec3(1.0f, 0.3f, 0.5f));
lightingShader.setMat4("model", model);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
}
同时，不要忘记定义光源的方向（注意我们将方向定义为从光源出发的方向，你可以很容易看到光的方向朝下）。
lightingShader.setVec3("light.direction", -0.2f, -1.0f, -0.3f);
点光源
定向光对于照亮整个场景的全局光源是非常棒的，但除了定向光之外我们也需要一些分散在场景中的点光源(Point Light)。点光源是处于世界中某一个位置的光源，它会朝着所有方向发光，但光线会随着距离逐渐衰减。想象作为投光物的灯泡和火把，它们都是点光源。
我们一直都在使用一个（简化的）点光源。我们在给定位置有一个光源，它会从它的光源位置开始朝着所有方向散射光线。然而，我们定义的光源模拟的是永远不会衰减的光线，这看起来像是光源亮度非常的强。在大部分的3D模拟中，我们都希望模拟的光源仅照亮光源附近的区域而不是整个场景。
衰减
随着光线传播距离的增长逐渐削减光的强度通常叫做衰减(Attenuation)。随距离减少光强度的一种方式是使用一个线性方程。这样的方程能够随着距离的增长线性地减少光的强度，从而让远处的物体更暗。然而，这样的线性方程通常会看起来比较假。在现实世界中，灯在近处通常会非常亮，但随着距离的增加光源的亮度一开始会下降非常快，但在远处时剩余的光强度就会下降的非常缓慢了。所以，我们需要一个不同的公式来减少光的强度。
下面这个公式根据片段距光源的距离计算了衰减值，之后我们会将它乘以光的强度向量：
Fatt=1.0/Kc+Kl∗d+Kq∗d2
在这里d代表了片段距光源的距离。接下来为了计算衰减值，我们定义3个（可配置的）项：常数项Kc、一次项Kl和二次项Kq。
实现衰减
为了实现衰减，在片段着色器中我们还需要三个额外的值：也就是公式中的常数项、一次项和二次项。它们最好储存在之前定义的Light结构体中。
struct Light {
vec3 position;
vec3 ambient;
vec3 diffuse;
vec3 specular;
float constant;
float linear;
float quadratic;
};
然后我们将在OpenGL中设置这些项：我们希望光源能够覆盖50的距离，所以我们会使用表格中对应的常数项、一次项和二次项：
lightingShader.setFloat("light.constant", 1.0f);
lightingShader.setFloat("light.linear", 0.09f);
lightingShader.setFloat("light.quadratic", 0.032f);
在片段着色器中实现衰减还是比较直接的：我们根据公式计算衰减值，之后再分别乘以环境光、漫反射和镜面光分量。
我们仍需要公式中距光源的距离，还记得我们是怎么计算一个向量的长度的吗？我们可以通过获取片段和光源之间的向量差，并获取结果向量的长度作为距离项。我们可以使用GLSL内建的length函数来完成这一点：
float distance = length(light.position - FragPos);
float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance +
light.quadratic * (distance * distance));
接下来，我们将包含这个衰减值到光照计算中，将它分别乘以环境光、漫反射和镜面光颜色。
我们可以将环境光分量保持不变，让环境光照不会随着距离减少，但是如果我们使用多于一个的光源，所有的环境光分量将会开始叠加，所以在这种情况下我们也希望衰减环境光照。简单实验一下，看看什么才能在你的环境中效果最好。
ambient *= attenuation;
diffuse *= attenuation;
specular *= attenuation;
聚光
我们要讨论的最后一种类型的光是聚光(Spotlight)。聚光是位于环境中某个位置的光源，它只朝一个特定方向而不是所有方向照射光线。这样的结果就是只有在聚光方向的特定半径内的物体才会被照亮，其它的物体都会保持黑暗。聚光很好的例子就是路灯或手电筒。
OpenGL中聚光是用一个世界空间位置、一个方向和一个切光角(Cutoff Angle)来表示的，切光角指定了聚光的半径（译注：是圆锥的半径不是距光源距离那个半径）。对于每个片段，我们会计算片段是否位于聚光的切光方向之间（也就是在锥形内），如果是的话，我们就会相应地照亮片段。下面这张图会让你明白聚光是如何工作的：
手电筒
手电筒(Flashlight)是一个位于观察者位置的聚光，通常它都会瞄准玩家视角的正前方。基本上说，手电筒就是普通的聚光，但它的位置和方向会随着玩家的位置和朝向不断更新。
所以，在片段着色器中我们需要的值有聚光的位置向量（来计算光的方向向量）、聚光的方向向量和一个切光角。我们可以将它们储存在Light结构体中：
struct Light {
vec3 position;
vec3 direction;
float cutOff;
...
};
接下来我们将合适的值传到着色器中：
lightingShader.setVec3("light.position", camera.Position);
lightingShader.setVec3("light.direction", camera.Front);
lightingShader.setFloat("light.cutOff", glm::cos(glm::radians(12.5f)));
你可以看到，我们并没有给切光角设置一个角度值，反而是用角度值计算了一个余弦值，将余弦结果传递到片段着色器中。这样做的原因是在片段着色器中，我们会计算LightDir和SpotDir向量的点积，这个点积返回的将是一个余弦值而不是角度值，所以我们不能直接使用角度值和余弦值进行比较。为了获取角度值我们需要计算点积结果的反余弦，这是一个开销很大的计算。所以为了节约一点性能开销，我们将会计算切光角对应的余弦值，并将它的结果传入片段着色器中。由于这两个角度现在都由余弦角来表示了，我们可以直接对它们进行比较而不用进行任何开销高昂的计算。
float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
if(theta > light.cutOff)
{
// 执行光照计算
}
else // 否则，使用环境光，让场景在聚光之外时不至于完全黑暗
color = vec4(light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)), 1.0);
平滑/软化边缘
为了创建一种看起来边缘平滑的聚光，我们需要模拟聚光有一个内圆锥(Inner Cone)和一个外圆锥(Outer Cone)。我们可以将内圆锥设置为上一部分中的那个圆锥，但我们也需要一个外圆锥，来让光从内圆锥逐渐减暗，直到外圆锥的边界。
为了创建一个外圆锥，我们只需要再定义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，如果一个片段处于内外圆锥之间，将会给它计算出一个0.0到1.0之间的强度值。如果片段在内圆锥之内，它的强度就是1.0，如果在外圆锥之外强度值就是0.0。
完整代码
main.cpp
#include shader.vs
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoords;
out vec3 Normal;
out vec3 FragPos;
out vec3 lightPos;
out vec2 TexCoords;
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;
void main()
{
Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;
gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
FragPos = vec3(model * vec4(aPos,1.0));
TexCoords = aTexCoords;
}
shader.fs
#version 330 core
out vec4 FragColor;
struct Material {
sampler2D diffuse;
sampler2D specular;
float shininess;
};
uniform Material material;
struct Light {
vec3 position;
vec3 direction;
float cutOff;
float outerCutOff;
vec3 ambient;
vec3 diffuse;
vec3 specular;
};
uniform Light light;
uniform vec3 viewPos;
in vec3 Normal;
in vec3 FragPos;
in vec2 TexCoords;
void main() {
vec3 lightDir = normalize(light.position-FragPos);
float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
float epsilon = light.cutOff - light.outerCutOff;
float intensity = clamp((theta - light.outerCutOff) / epsilon, 0.0, 1.0);
if(intensity > light.outerCutOff) {
// ambient
vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
// diffuse
vec3 norm = normalize(Normal);
vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);
float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
// specular
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 * (/*vec3(1.0)-*/vec3(texture(material.specular, TexCoords)));
diffuse *= intensity;
specular *= intensity;
vec3 result = ambient + diffuse + specular;
FragColor = vec4(result, 1.0);
}else
FragColor = vec4(light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)), 1.0);
}
LightShader.fs
#version 330 core
out vec4 FragColor;
void main() {
FragColor = vec4(1.0);
}
参考链接