Shader 点光源和自阴影

 

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本教程基于教程4-法线映射。在实现一个点光源前你无需知道法线映射，所以如果你只想知道如何实现一个点光源，可以暂时无需理解教程4的知识。

这个教程只解释什么是点光源以及如何实现它，你可以在本教程使用的算法之后添加法线映射或其他你需要的shader。

只要你理解了教程1，2，3，这个教程不是很难。

点光源

点光源（Point lights，在某些渲染工具中也叫做Omni light）的光线是从3D空间中的一个点向四周发出的。

不像前面教程中的单向光，点光源有一个作用范围，光线传播一段距离后会衰减为零，这叫做衰减因子（attenuation factor）：

attenuation＝1－（（x/r ）²＋（y/r ）²＋（z/r ）²）

公式中的r为衰减距离，公式也可表达为：

attenuation＝1－（L/r ）•（L/r ）

如果用1减去V₁=L/r和V₂=L/r的点乘，就能获得衰减因子。

在点光源光照范围之外的物体只有环境光颜色，所以最后的光照方程如下：

I = A + Diffuse*Specular*attenuation

自阴影

使用上述光照方程会遇到的一个问题是：在漫反射和镜面高光计算时会有一些显示错误，当光线向量和视线向量方向相反时像素也会被照亮，而且，如果光源距物体表面过近，也会有显示错误。

解决上述问题的一个方法是使用自阴影（Self-Shadowing），它可以避免不应该被照亮的像素获得光照。

当物体被遮挡或不应该获得光照时，自阴影因子为零或接近于零，如果像素被照亮，则这个因子大于零。

那么如何实现呢？只需计算表面法线和光照方向的点乘即可：

S = saturate( N.L );

但是这里的临界值过低，所以将它乘以4才可以获得正确的临界值。

现在我们可以用S乘以漫反射和镜面高光反射的颜色，这样当S为零时颜色也为零！我们的新光照方程如下：

I = A + S*(Diffuse*Specular*attenuation)

这个方程可以进行优化，方法是只有当S大于零时才计算漫反射和镜面高光反射，否则颜色就为零：if( S > 0) { calculate.. }.

当使用法线映射时，我们是在切线空间中进行计算的。这个算法让我们可以使用光线向量的Z分量，因为切线空间中的这个Z分量就等于N•L. 所以有以下方程：

S = 4 * LightDirection.z;

实现shader

首先我们需要声明光照范围：

1 float LightRange;

然后在顶点着色器中计算光照，将衰减值放在光源w分量，光线方向放在L向量中：

1 // calculate distance to light in world space
2 float3 L = vecLightPos - PosWorld;
3
4 // Transform light to tangent space
5 Out.Light.xyz = normalize(mul(worldToTangentSpace, L));// L, light
6
7 // Add range to the light, attenuation
8 Out.Light.w = saturate( 1 - dot(L / LightRange, L / LightRange));

剩下的事情就是在光照方程中使用衰减值和施加自阴影，这是在像素着色器中进行处理的：

1 float Shadow = saturate(4.0 * LightDir.z);
2 ....
3 ....
4 return 0.2 * Color + Shadow*((Color * D * LightColor + S*LightColor) * (L.w));

如你所见，点光源与前面我们使用的单向光源区别不大，当使用光照时，自阴影值也可以用于前面的示例。

使用shader

除了需要设置光照范围和光源位置代替前面教程中的光线方向，XNA代码没有其他变化：

1 effect.Parameters["vecLightPos"].SetValue(vLightPosition);
2 effect.Parameters["LightRange"].SetValue(100.0f);
3 effect.Parameters["LightColor"].SetValue(vLightColor);

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