学习OpenGL：光源的种类和实现

按照冯氏光照模型的说法，任何光线都被分割成环境光照、漫反射光照和镜面光照三部分，这三部分分别与物体产生作用叠加后得到我们看到的颜色。但是实际上在现实中有许多种不同的光源（Light Source），比如太阳、蜡烛、手电筒、灯泡等等，仔细观察可以发现这些光源发射光线的方式是不同的，概括起来有三种：

（三张图片来自百度图片搜索）

方向光（Directional Light）：又称定向光、平行光，这种光源发射出来的光线是平行光线，每一条光线的方向是相同的，太阳光可以看成是方向光；
点光源（Point Light）：一个点光源朝四周发射出放射状的光线，灯泡、蜡烛等就是这种光源；
聚光灯（Spot Light）：光源发射出一个圆锥体光，圆锥体外部没有光线，内部光线强度分布表现为靠近圆锥边缘的光强会逐渐变小，手电筒、舞台投光灯等就是这种光源

当然这三种光源不能概括现实中所有的光源，还有更加复杂的，比如灯管就不包括在上述三种灯源中（可以用一排点光源模拟）。话虽如此，这三种光源还是能代表大多数真实光源的，如果用过unity，应该就知道它也提供了这三种光源类型，并且只有这三种才支持实时渲染。

所以我们也用OpenGL去模拟这三种光源的光照效果，并且实现片段着色器的编写。

方向光

方向光（平行光）的特点就是光的照射方向不变，并且光照强度不随着空间变化而衰减。这是因为我们默认把太阳光当成最重要的平行光，而太阳距离地球很远，在地球上的一点点距离变化导致的衰减可以忽略不计，但若是人工制造的平行光（比如用凸透镜+点光源制造的平行光）就必须要考虑衰减了。为了方便起见，渲染时就不考虑衰减了。

方向光需要考虑的参数包括：

光照方向 d i r e c t i o n direction direction ；
三个光照分量 a m b i e n t ambient ambient, d i f f u s e diffuse diffuse, s p e c u l a r specular specular ；

有了这几个参数，按照冯氏光照模型的方法计算三个光照分量的值，然后累加即可。

点光源

点光源的特点是光线呈放射状，并且光照强度随着距离的增大而衰减（Attenuation）。这里的衰减是两方面的：一方面点光源是球面波，按照能量守恒，光强会按 1 R 2 \frac{1}{R^2} R21衰减，原理就是反比于球体的表面积；另一方面光与介质发生作用而导致能量形式转变，光能变成了热能等等，所以会衰减。假设待渲染的某个片段和光源的距离为 d d d ，那么该片段处的光照衰减值近似为：
L u m i n o s i t y = 1.0 Q u a d r a t i c ∗ d 2 + L i n e a r ∗ d + C o n s t a n t Luminosity=\frac{1.0}{Quadratic*d^2+Linear*d+Constant} Luminosity=Quadratic∗d2+Linear∗d+Constant1.0
式中的三个参数 Q u a d r a t i c , L i n e a r , C o n s t a n t {Quadratic,Linear,Constant} Quadratic,Linear,Constant 的取值可以参考这里，一般来说，常数项可以保持为 1.0 1.0 1.0不变，而一次项和二次项的系数随着覆盖距离的增大而减小，因为越小的系数在越大的距离才会衰减到一定小的值。

点光源需要考虑的参数包括：

光源位置 p o s i t i o n position position；
三个衰减系数 Q u a d r a t i c , L i n e a r , C o n s t a n t {Quadratic,Linear,Constant} Quadratic,Linear,Constant
三个光照分量 a m b i e n t ambient ambient, d i f f u s e diffuse diffuse, s p e c u l a r specular specular ；

因此我们计算完三个光照分量的值之后，还需要乘上 L u m i n o s i t y Luminosity Luminosity ，才得到最终的结果。

聚光灯

聚光灯的特点除了包括点光源的所有特点之外，还把光照限制在了一个圆锥体内部，因此聚光灯不可避免的有一个光照方向。在圆锥体的内部的同一圆切面中，光照强度的分布也不是均匀的，体现为偏离中心比较多的光照强度会变小。因此我们给聚光灯定义内圆锥面和外圆锥面，在同一个圆形切面中，内圆锥面内部的光强相等，内圆锥面与外圆锥面之间的光强线性递减到 0 。

定义内圆锥半角（圆锥半角就是母线和轴的夹角）为 α \alpha α，外圆锥半角为 β \beta β，被照射位置和光源的连线与轴的夹角为 θ \theta θ ，那么新的一个光强系数满足：
I n t e n s i t y = c o s θ − c o s β c o s α − c o s β Intensity=\frac{cos\theta-cos\beta}{cos\alpha-cos\beta} Intensity=cosα−cosβcosθ−cosβ
把 I n t e n s i t y Intensity Intensity **约束（Clamp）**在 [ 0 , 1 ] [0,1] [0,1]之间，就得到了想要的结果。

聚光灯需要考虑的参数包括：

光照方向 d i r e c t i o n direction direction ；
光源位置 p o s i t i o n position position；
内外圆锥半角的余弦值 i n n e r C o s , o u t e r C o s innerCos,outerCos innerCos,outerCos；
三个衰减系数 Q u a d r a t i c , L i n e a r , C o n s t a n t {Quadratic,Linear,Constant} Quadratic,Linear,Constant
三个光照分量 a m b i e n t ambient ambient, d i f f u s e diffuse diffuse, s p e c u l a r specular specular ；

在计算完三个光照分量的值之后，乘上 L u m i n o s i t y ∗ I n t e n s i t y Luminosity*Intensity Luminosity∗Intensity，就得到最终的结果。

片段着色器代码

在OpenGL中编写片段着色器的GLSL代码，把每种光源需要的参数封装成结构体，每种光源计算得到RGB的过程封装成函数，然后可以任意定义任意个数量的光源，然后累加起来光照强度得到最终的颜色输出。具体的代码已经注释得很详细：

#version 430 core// 从前面传下来的数据
in vec3 fragNormal;     // 片段法向量（非单位向量）
in vec3 FragPos;        // 片段位置
in vec2 TexCoords;      // 纹理采样坐标// 片段着色器的颜色输出
out vec4 FragColor;// 定义物体材质，因为这里用了图片纹理做光照贴图，因此就可以用采样器直接获得对应坐标的RGB
// 也可以直接定义纯色的RGB向量
struct Material
{sampler2D diffuse;  // 漫反射纹理sampler2D specular; // 镜面反射纹理float shininess;    // 反光度：越高，反光能力越强，散射的越少，高光点越小
};
uniform Material material;  // 物体材质
uniform vec3 viewPos;       // 观察者位置// 各个光源类型的定义，以及对应求解反射光的函数定义
// 函数参数的normal、viewDir必须是单位向量//----------------- 方向光 ------------------
struct DirLight
{vec3 direction;     // 光照方向// 三个光照分量vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;
};vec3 calDirLight(DirLight light, vec3 normal, vec3 viewDir)
{vec3 lightDir = normalize(-light.direction);// 环境光照vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));// 漫反射光照float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));// 镜面光照vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);   // 材质中【反光度】决定的系数vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));// 合并return (ambient + diffuse + specular);
}
//-------------------------------------------//----------------- 点光源 ------------------
struct PointLight
{vec3 position;  // 光源位置// 三个衰减系数float constant;float linear;float quadratic;// 三个光照分量vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;
};vec3 calPointLight(PointLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir)
{vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);// 环境光照vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));// 漫反射光照float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));// 镜面光照vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);   // 材质中【反光度】决定的系数vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));// 合并，考虑光强衰减float distance = length(light.position - fragPos);float luminosity = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * distance * distance);   // 光强衰减系数return (ambient + diffuse + specular) * luminosity;
}
//-------------------------------------------//----------------- 聚光灯 ------------------
struct SpotLight
{vec3 direction;     // 光照方向vec3 position;      // 光源位置float innerCos;     // 内圆锥半角余弦值float outerCos;     // 外圆锥半角余弦值// 三个衰减系数float constant;float linear;float quadratic;// 三个光照分量vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;
};vec3 calSpotLight(SpotLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir)
{vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);// 环境光照vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));// 漫反射光照float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));// 镜面光照vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);   // 材质中【反光度】决定的系数vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));// 考虑光强衰减float distance = length(light.position - fragPos);float luminosity = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * distance * distance);   // 光强衰减系数// 从这里开始加入聚光灯的判断float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));float epsilon = light.innerCos - light.outerCos;float intensity = clamp((theta - light.outerCos) / epsilon, 0.0, 1.0);    // 聚光灯决定的光强系数return (ambient + diffuse + specular) * luminosity * intensity;
}
//-------------------------------------------// ！！！！！ 前面部分定义了一些到目前为止必需的东西，而后面可以根据自己的需要进行编写 ！！！！！
// 比如后面，我定义了一个方向光、一个聚光灯和四个点光源uniform DirLight dirLight;
#define NR_POINT_LIGHTS 4
uniform PointLight pointLights[NR_POINT_LIGHTS];
uniform SpotLight spotLight;uniform int isSpotLight;    // 用这个控制聚光灯的亮灭void main()
{vec3 norm = normalize(fragNormal);              // 法向量的单位向量vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);    // 观察方向的单位向量vec3 result = vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f);// 后面直接调用函数就可以很方便地计算出每种光照的影响result += calDirLight(dirLight, norm, viewDir);for(int i = 0; i < NR_POINT_LIGHTS; i++)result += calPointLight(pointLights[i], norm, FragPos, viewDir);if(isSpotLight == 1)result += calSpotLight(spotLight, norm, FragPos, viewDir);FragColor = vec4(result, 1.0f);
}

Shader的参数比较多，一定小心注意要把所有用到的uniform都赋好值。

学习OpenGL：光源的种类和实现相关推荐

学习opengl入门
当然,这些只是我7天来业余时间的学习,我觉得这个网址不错,大家如果也想学习opengl,并且具有一定的C语言C++基础,入门课程推荐大家去学习这个网址http://www.cnblogs.com/cr ...
从零开始学习OpenGL ES之五 – 材质
从零开始学习OpenGL ES之五 – 材质作者: iPhoneGeek 爱疯极客 09-Jan-10 iPhone Development 浏览次数: 411 | 评论 ↓ Tweet Shar ...
学习opengl官方指南 01 opengl介绍
申明:翻译的不好,勿喷,轻喷. 本章的目标 1. 可以知道opengl一些常见的专有名词 2. 识别不同级别的渲染复杂度 3. 理解opengl的命令语法 4. 知道opengl管段渲染的系列操作 5 ...
【我的OpenGL学习进阶之旅】【持续更新】关于学习OpenGL的一些资料
目录一.相关书籍 OpenGL 方面 C方面 NDK 线性代数二.相关博客 2.0 一些比较官方的链接 2.1 OpenGL着色器语言相关 2.2 [[yfan]](https://segment ...
WhyGL:一套学习OpenGL的框架,及翻写Nehe的OpenGL教程
最近在重学OpenGL,之所以说重学是因为上次接触OpenGL还是在学校里,工作之后就一直在搞D3D,一转眼已经毕业6年了.OpenGL这门手艺早就完全荒废了,现在只能是重学.学习程序最有效的办法是动 ...
OpenGL光源位置
一.OpenGL光源简介 OpenGL提供了多种形式的光源,如点光源.平行光源和聚光灯光源等.所有光源都使用 glLight*接口来设置光源属性,其中包括 glLight{if} 和 glLight{ ...
从显示一张图片开始学习OpenGL ES
前言网上很多介绍OpenGL ES的文章,但由于OpenGL ES内容太多,所以这些文章难免过于臃肿杂乱,很难抓住重点,对于初学者来说最后还是云里雾里.很多人(包括笔者本人)开始深入了解OpenGL ...
LED光源的种类与LED光源与灯具的定义介绍
下面为大家介绍LED光源的种类与LED光源与灯具的区别,也就是定义.LED光源的种类有很多种,LED光源表示的是LED照明行业.LED是由发光二极管简称LED.是由Ga.As.P.N(镓.砷.磷.氮) ...
在 Lazarus 中学习 OpenGL
在 Lazarus 中学习 OpenGL 教学网站 https://learnopengl-cn.github.io/ API 查询 https://docs.gl/ 创建窗口 Lazarus 可以在 ...
通过GLUT库学习OpenGL
GLUT(The OpenGL Utility Toolkit),OpenGL实用工具箱,是一个与窗口系统无关的OpenGL编程工具箱. 最早由Mark Robins编写.它实现了一个简单的窗口应用程 ...

学习OpenGL：光源的种类和实现

方向光

点光源

聚光灯

片段着色器代码

学习OpenGL：光源的种类和实现相关推荐

最新文章

热门文章