OpenGL基础18：光照基础

真实的光照非常的复杂，所以有关光照的算法和论文也有不少，想要模拟出更真实的光照往往需要很强的实力，很牛的算法以及很高的数学/物理水平，与此相关的技术到现在为止也只是在发展中（包括目前比较火的“光线追踪”），当然，还是要从最简单的入手，尽可能以最低的门槛，做出个大致的样子来

一、光照模型与光源

之所以说光照比较复杂，主要是在物理和数学专业上的难度，光通常都不是来自于同一光源，而是来自散落于我们周围的很多光源，即使它们可能并不是那么显而易见，光的一个属性是，它可以向很多方向发散和反弹，又或是多次反射，所以光最后到达的地点可能并不是它所临近的直射方向；

光能够像这样反射(Reflect)到其他表面，一个物体的光照可能受到来自一个非直射的光源影响

一种基础光照模型：冯氏光照模型(Phong)的主要结构由3个元素组成

环境(Ambient)光：即使在黑暗的情况下，世界上也仍然有一些光亮（月亮、一个来自远处的光)，所以物体永远不会是完全黑暗的，只要你在室外
漫反射(Diffuse)：模拟一个发光物对物体的方向性影响(Directional Impact)，它是冯氏光照模型最显著的组成部分，面向光源的一面比其他面会更亮
镜面(Specular)光照：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更倾向于光的颜色

几种常见光源：

环境光：一种低强度的光，没有位置的概念，由光线经过周围环境表面多次反射后形成的，可以用环境光可以描述一块区域的亮度，通常是常量（对应光照模型中的环境光）
太阳光：定向光源，在无穷远出发射光线，光线是平行的，强度不会随着距离衰减（一般场景中只有至多一个）
点光源：在有限空间内某个点上发出的光线，光线强度会随着距离衰减（最常见光源）
聚光灯(SpotLight)：一种具有锥形效果的光源，该光源拥有产生光的方向和角度，有主照射方向，光线强度会随着距离，延着中心向外衰减（例如手电筒，舞台灯）

阴影(Shadow)：

软阴影：阴影边界柔和，渐变，没有锯齿，常见而又普通
硬阴影：边界锐利，通常出现在在和物体的交替处或者是光打下来离物体比较近的地方

二、环境光照

考虑环境光的性质，实现环境光照出乎意料的简单，如下修改物体的片段着色器：我们只需要用光的颜色乘以一个很小的常量环境因子，再乘以物体的颜色就ok了，这也是最基础的算法

#version 330 core
out vec4 color;
uniform vec3 objectColor;
uniform vec3 lightColor;
in vec2 texIn;
uniform sampler2D texOutA;
void main()
{float ambientStrength = 0.1f;vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;vec3 result = ambient * objectColor;color = vec4(result, 1.0f);
}

为了能看出效果，把背景换成黑色：

如果你觉得这过于简单，可以去尝试学习全局照明(Global Illumination)算法

三、漫反射和镜面反射

再回到初高中物理，漫反射和镜面反射的区别可以用一张图表示：

为了简化问题，我们当然不可能去尝试计算每条光线的反射角和反射结果，我们只需要知道：漫反射是一个“混沌”的过程，也就是说，无论在什么方向上观察物体，从物体反射到我们眼中的光线强度和方向（总量）都是大致相似的，我们只需要考虑光与物体之间的关系，而对于镜面反射，我们就需要考虑到我们的观察视角，换句话说：

对于漫反射：我们简单考虑入射光与物体表面法向量的夹角，夹角越大则越亮
对于镜面反射：我们简单考虑反射光与视线方向的夹角，夹角越大则越亮

入射光和反射光关于物体反射点法向量对称

对于实现可以参考后面的文章

参考文献：https://learnopengl.com/Lighting/Basic-Lighting