OpenGL ES学习之路(8.0) 光照的简单了解

光照基础

在现实世界中的光照是极其复杂的，而且会受诸多因素的影响，这在计算机上无法完全模拟的。所以在OpenGL当中，使用的光照都是简化的模型，对现实灯光的情况近似地靠近，这样子处理起来就会比较简单一些。其中一个模型被称为冯氏光照模型(Phong Lighting Model).冯氏光照模型主要分为环境光照(Ambient)和漫反射光照(Diffuse)以及镜面光照(Specular)，图4为三种光照下的综合效果

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• 环境光照(Ambient Lighting):即使在黑暗的情况下，世界通常仍然会有些光芒（月光、远处的光），所以物体几乎永远不会是完全黑暗。为了模拟这种光，我们会使用一个环境光照常量，它永远会给物体一些颜色。

• 漫反射光照(Diffuse Lighting)：如其名，它是一种反光光照，模拟光源对物体的方向性影响。它是冯氏光照模型中视觉上最显著的分量。物体的某一部分越是正对着光源，它就会越亮。

• 镜面光照(Specular Lighting)：模拟有光泽物体上面出现的亮点。镜面光照的颜色相比于物体的颜色会更倾向于光的颜色。

光照的特性

光照的特性分为：发射光、环境光、漫反射光、镜面高光

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• 发射光：由物体自身发光。
• 环境光：就是在环境中充分散射的光，而且无法分辨它的方向。
• 漫反射光：光线来自某一个方向，但是在物体各个方向反射。
• 镜面高光：光线来自一个特定的方向，然后在物体表面上以一个特定的
  方向反射出去。

材质属性

在现实世界中，不同的材质反射出来的光照是不同的，相同的光照不同的材质效果也是产生不同的效果。因此在OpenGL上更容易地实现材质效果，将材质分为：泛射材质、漫反反射材质、镜面反射材质、发射材质。

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光照计算

• 环境光的计算

    环境光 = 光源的环境光颜色 * 物体的环境材质颜色

• 漫反射光计算

  
  
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漫反射颜色 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫发射材质颜色 * DiffuseFactor

注：DiffuseFactor = max(0,dot(N,L))

漫反射因子DiffuseFactor 是光线与顶点法线向量的点积

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• 镜面反射

  
  
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镜面反射颜色 = 光源的镜面光的颜色 * 物体的镜面材质颜色 * SpecularFactor
注：SpecularFactor = power(max(0,dot(N,H)),shininess)

H :视线向量E 与 光线向量L的半向量 dot(N,H):H,N的点积几何意义,平分线与法线夹角的cos值

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• 衰减因子
  在现实世界中，光源发射的光线在其传播过程中，与空气中的其他粒子碰撞，其能量会逐渐衰减，在 OpenGL 中，这是通过将光照强度乘以随传播距离变化的衰减因子来模拟实现的。这个衰减因子的计算公式如下：

    衰减因子 = 1.0/(距离衰减常量 + 线性衰减常量 * 距离 + 二次衰减常量 * 距离的平方)
    距离衰减常量,线性衰减常量和⼆次衰减常量均为常量值

注意: 环境光，漫反射光和镜面光的强度都会受距离的增大⽽衰减，只有发射光和全局环境光的强度不会受影响

• 聚光灯因子
  朝某个特定发射光线的光源
  计算公式如下：

聚光灯夹角cos值 = power(max(0,dot(单位光源位置，单位光线向量)),聚光灯指数);  

注：

• 单位光线向量是从光源指向顶点的单位向量
• 聚光灯指数，表示聚光灯的亮度程度
• 公式解读：单位光源位置 * 单位光线向量点积的聚光指数次方
  在现实世界中，光照从白到黑是有过度效果的，过度效果可以让场景更真实，如下图效果：
  
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• 增加过渡计算

聚光灯因子 = clamp((外环的聚光灯角度cos值 - 当前顶点的聚光灯角度cos值) /(外环的聚光灯角度cos值 - 内环聚光灯的角度的cos值),0,1);

clamp 函数是将聚光灯因子限定在[0, 1]之间，这样，内环是完全光照的，而中环是从完全光照到没有光照的渐变过渡，外环是没有光照的。

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• 光照终极计算公式

光照颜色 = 发射颜色 + 全局环境颜色 + (环境颜色 + 漫反射颜色) * 聚光灯效果 * 衰减因子

参考：
OpenGL 图形库的使用（十二）—— 光照之基础光照