OpenGL ES(八)-光照计算

光照基础

从生理学的角度上讲，眼睛之所以看见各种物体，是因为光线直接或间接的从它们那里到达了眼睛。人类对于光线强弱的变化的反应，比对于颜色变化的反应来得灵敏。因此对于人类而言，光线很大程度上表现了物体的立体感。

就目前的计算机而言，要准确模拟各种光线的传播，这是无法做到的事情。比如一个四面都是粗糙墙壁的房间，一盏电灯所发出的光线在很短的时间内就会经过非常多次的反射，最终几乎布满了房间的每一个角落，这一过程即使使用目前运算速度最快的计算机，也无法精确模拟。不过，我们并不需要精确的模拟各种光线，只需要找到一种近似的计算方式，使它的最终结果让我们的眼睛认为它是真实的，这就可以了。

OpenGL在处理光照时采用这样一种近似：把光照系统分为三部分，分别是光源、材质和光照环境。光源就是光的来源，可以是前面所说的太阳或者电灯等。材质是指接受光照的各种物体的表面，由于物体如何反射光线只由物体表面决定（OpenGL中没有考虑光的折射），材质特点就决定了物体反射光线的特点。光照环境是指一些额外的参数，它们将影响最终的光照画面，比如一些光线经过多次反射后，已经无法分清它究竟是由哪个光源发出，这时，指定一个“环境亮度”参数，可以使最后形成的画面更接近于真实情况。
在物理学中，光线如果射入理想的光滑平面，则反射后的光线是很规则的（这样的反射称为镜面反射）。光线如果射入粗糙的、不光滑的平面，则反射后的光线是杂乱的（这样的反射称为漫反射）。现实生活中的物体在反射光线时，并不是绝对的镜面反射或漫反射，但可以看成是这两种反射的叠加。对于光源发出的光线，可以分别设置其经过镜面反射和漫反射后的光线强度。对于被光线照射的材质，也可以分别设置光线经过镜面反射和漫反射后的光线强度。这些因素综合起来，就形成了最终的光照效果。

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光照特性

1.发射光:由物体自身发光

2. 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
3. 漫反射光:光线来自某个方向，但在物体上各个方向反射。
4. 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

光照计算

1.环境光 = 光源的环境光颜色 * 物体的材质颜⾊
环境光的计算(亮度)
{Rp Gp Bp} = Pixel Color
{Rl Gl Bl} = Light Color
A(亮度) = Ambient intensity
{Rp Gp Bp} ✖{Rl Gl Bl}✖{A A A} = Final pixel color

2.发射颜⾊ = 物体的反射材质颜色

3.漫反射光照计算

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光照强度是光本身强度和光线与物体表面法线夹角cos的乘积
有效的光照方向是与物体表面法线夹角在0~90度之间.

漫反射颜色 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫发射材质颜色 * DiffuseFactor
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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4.镜面光计算:

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N : 平面法线
I : 入射光线
H : 反射光线
E : 视线
a : 视点与反射光的夹角

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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 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,平方线与法线夹角的cos值
shiniess : ⾼光的反光度;

光照颜色 =(环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜⾯反射颜色)* 衰减因⼦
衰减因子

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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

5.聚光灯因子
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);

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灯指数次⽅

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);

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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 * 单位光线向量量 点积 的 聚光灯指数次方。

光照计算终极公式
光照颜色 = 发射颜色 + 全局环境颜色 + (环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜面反射颜⾊) * 聚光灯效果 * 衰减因⼦