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环境光照(Ambient Lighting)：即使在黑暗的情况下，世界上通常也仍然有一些光亮（月亮、远处的光），所以物体几乎永远不会是完全黑暗的。为了模拟这个，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)：模拟光源对物体的方向性影响(Directional Impact)。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。

如下图所示:

本章demo如下所示(已上传至群文件):

可以看到同一个物体坐标,随着我们摄影机(观察者)位置不同,反射过来的颜色也会大大不同.

1.环境光照(Ambient)

为了模拟该场景，我们修改上章的被照物的片元shader:

// lightColor: 光源颜色
// objectColor: 自身物体颜色
const char *fragmentShaderSource = GET_GLSTR(out vec4 FragColor;uniform vec3 objectColor;uniform vec3 lightColor;void main(){vec3 ambient =  lightColor * 0.1;FragColor = vec4(ambient * objectColor, 1.0);}
);

然后修改背景颜色为黑色,效果如下所示:

可以看到橘黄色的物体变成这个颜色.

2.漫反射光照(Diffuse)

在之前向量复习文章中,我们知道两个单位向量的夹角越小，它们点乘的结果越倾向于1。当两个向量的夹角为90度的时候，点乘会变为0。

所以我们需要获取到立方体的每个平面下的每个顶点的法向量。

2.1 法向量

法向量是垂直于顶点平面的单位向量,我们以立方体的正对面为例,如下图所示:

可以看到(0,0,-1)法向量垂直于立方体正前面,并且该向量到该平面的每个向量的长度都是相等的.

那么我们是如何求出该法向量(0,0,-1)的?

如何求出法向量

如下图所示:

所以代码如下所示:

QVector3D normal ;
normal = QVector3D::crossProduct(QVector3D(-0.5,-0.5,-0.5) - QVector3D(0.5f, -0.5f, -0.5f) , QVector3D( 0.5f,  0.5f, -0.5f) -QVector3D(0.5f, -0.5f, -0.5f)  ).normalized();

更新后的顶点数据数组可以在这里找到.

接下来我们修改被照物的顶点shader:

// aPos: 顶点坐标
// model: 模型矩阵 对一个物体如何进行摆放等,其本质就是平移、旋转和缩放
// view: 观察矩阵让物体位于观察者哪个地方
// projection: 投影矩阵
// Normal: 传递给片段着色器用的法向量
const char *vertexShaderSource = GET_GLSTR(layout (location = 0) in vec3 aPos;layout (location = 1) in vec3 aNormal;uniform mat4 model;uniform mat4 view;uniform mat4 projection;out vec3 Normal;void main(){// 注意乘法要从右向左读gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0)  ;Normal = aNormal;}
);

这里我们把外部传递进来的aNormal法向量转发给片段着色器进行计算颜色.

然后在外部修改顶点属性:

program->setAttributeBuffer(0, GL_FLOAT, 0, 3, 6 * sizeof(float));
program->setAttributeBuffer(1, GL_FLOAT, 3 * sizeof(float), 3, 6 * sizeof(float));
program->enableAttributeArray(0);
program->enableAttributeArray(1);

2.2 计算漫反射光照

首先修改被照物的片段着色器.添加成员:

in vec3 Normal;
uniform vec3 lightPos;

Normal是被照物的顶点着色器转发过来的每个顶点的法向量,而lightPos则是灯(光源)的位置向量.

现在我们的片段着色器有了法向量和光源的位置向量、但是没有物体自身的位置、所以继续修改被照物的顶点shader,添加:

out vec3 FragPos;
void main()
{...FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));...
}

最后，在片段着色器中添加相应的输入变量：

in vec3 FragPos;

现在我们的片段着色器所需要的变量都有了,接下来我们就可以在片段着色器中计算光照了.

最终片段着色器代码如下所示:

#version 330 core
out vec4 FragColor;in vec3 Normal;
in vec3 FragPos;  uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 objectColor;void main()
{// ambientfloat ambientStrength = 0.1;vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;// 下面计算漫反射 vec3 norm = normalize(Normal);vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);vec3 diffuse = diff * lightColor;vec3 result = (ambient + diffuse) * objectColor;FragColor = vec4(result, 1.0);
}

其中ambient是环境光分量、diffuse是漫反射分量、然后把结果乘以物体的颜色，来获得片段最后的输出颜色。最终呈现的效果如下所示:

效果如下所示(位于光照和被照物前面时):

可以看到颜色确实变了,但是在物体上体现的光照并不对呀.

这是因为被照物的法向量只是方向向量,不是一个法线矩阵,由于没有w分量,所以平移对于法向量没有用,假如我们对物体进行了不等比缩放,也会对法向量进行影响(不再垂直于表面):

那么我们获取一个法线矩阵即等于即等于观察变换矩阵逆的转置,为什么是这样的可以去阅读这个文章。

所以修改被照物的顶点代码:

Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;

而transpose(inverse(model))表示获取的是观察矩阵的逆矩阵的转置。

修改后重新运行代码如下所示:

可以看到这次光照终于正常了(白色的矩形是光照,位于所有被照物的前方)

3.镜面光照

需要获取观察者(摄影机)位置,由于入射角等于反射角,所以观察者与反射角的夹角θ越小,那么反射光越强,如下图所示:

修改被照物的片段着色器添加:

        // 下面计算镜面光照float specularStrength = 0.5;vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor;vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * objectColor;FragColor = vec4(result, 1.0);

其中viewPos是摄影机位置.

而reflect函数定义如下所示:

genType reflect (genType I, genType N);
// I是入射光的方向，N是反射平面的法线，返回值是反射光的方向。I – 2 * dot(N, I) * N。
// N必须是单位向量。

所以reflectDir是反射光R向量.

然后执行“float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);”,计算观察者与反射向量的点乘(角度越小cos值越大),所以spec能够充分表达观察者与反射角的夹角θ关系.

最后就是乘上光的颜色和镜面强度系数.最终片段着色器源码如下所示:

// lightColor: 光源颜色
// objectColor: 自身物体颜色
const char *fragmentShaderSource = GET_GLSTR(out vec4 FragColor;in vec3 Normal;in vec3 FragPos;uniform vec3 viewPos;uniform vec3 lightPos;uniform vec3 lightColor;uniform vec3 objectColor;void main(){// ambientfloat ambientStrength = 0.1;vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;// 下面计算漫反射vec3 norm = normalize(Normal);vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);vec3 diffuse = diff * lightColor;// 下面计算镜面光照float specularStrength = 0.5;vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor;vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * objectColor;FragColor = vec4(result, 1.0);});

运行效果如下所示(位于光照和被照物背面时):

位于光照和被照物前面时:

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