引言

在前面，我们已经讲述了，平行光源，点光源的使用方式，除了这两个之外，还有一个名为聚光灯的光源类型。聚光灯，当然是将光聚集在某个范围里面的光。想象一下，在一个万众瞩目的会场，大明星们登台出演。当他出现的那一刻，所有的聚光灯，都聚焦到它的身上！！！看看，聚光灯的威力是多么的大。在下面我们就来讲解如何模拟聚光灯。

聚光灯

其实，聚光灯的模拟很简单，它实际上就是一个带有范围的点光源而已。也就是说，我们会在上篇博客的基础上，对点光源的光照方程，增加上聚光灯的范围聚焦属性，来模拟出聚光灯来。所以，对聚光灯的模拟，就是如何对这个聚焦范围进行模拟而已。

为了，弄明白，如何对聚焦范围模拟，我们需要了解，聚光灯，是如何进行聚焦的。

首先，聚光灯和点光源一样，应该有一个位置pos，然后这里就与点光源不同，它应该有一个照射方向dir，不像点光源那样向四面八方照射光线。有了位置，和照射方向之后，我们就可以利用顶点的入射光向量，与这个聚光灯的照射方向进行点积运算，从而求出他们之间的夹角，如果夹角在我们规定的聚焦范围之内的话，就进行照射。

读者，可能觉得，这段话很熟悉。如果看过我前面几篇博客的话，就会知道，如何对这里的聚焦范围进行模拟了。没错，就是使用cos余弦，和指数运算来进行模拟。

下面是最后的照射方程公式：

读者可以发现，这个公式，只是多了前面的一部分，后面的部分完全和我前一篇博客中讲述的点光源的公式一样。也就是说，我们通过前面一部分的公式来模拟聚光灯的聚焦能力。其中，L指的是顶点的光照向量，D是聚光灯照射的方向，S就是一个控制范围的指数变量，原因已经在讲述反射光的博客中讲述了，这里不再赘述。

实例解析

好了，理论的内容结束了。下面，我们使用聚光灯来做一个简单的Demo。

同样的，我们使用茶壶原型来做。我们在X-Z平面上绘制一片茶壶，这样，当聚光灯聚集在某个部分的时候，就能够看得很清楚。下面是绘制着一片茶壶的代码：

void CubeDemo::draw()
{//Set the vertex declarationHR(m_pDevice->SetVertexDeclaration(VertexPN::_vertexDecl));//Set the techniqueHR(m_pEffect->SetTechnique(m_hTechnique));//Set the gPowerstatic float power = 128.0f;HR(m_pEffect->SetValue(m_gPower,&power,sizeof(float)));//Set the gMaterialHR(m_pEffect->SetVector(m_gMaterial,&D3DXVECTOR4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0)));//Set the gLightColorHR(m_pEffect->SetVector(m_gLightColor, &D3DXVECTOR4(0.8, 0.8, 0.8, 1.0)));//Set the gLightPosHR(m_pEffect->SetVector(m_gLightPos, &m_LightPos));//Set the gSpecularLightColorHR(m_pEffect->SetValue(m_gSpecularLightColor, &D3DXCOLOR(1.0,1.0,1.0,1.0),  sizeof(D3DXCOLOR)));//Set the gSpecularMaterialHR(m_pEffect->SetValue(m_gSpecularMaterial, &D3DXCOLOR(1.0,1.0,1.0,1.0), sizeof(D3DXCOLOR)));//Set the gAmbientLightColorHR(m_pEffect->SetValue(m_gAmbientLightColor, &D3DXCOLOR(0.1,0.0,0.1,0.0),sizeof(D3DXCOLOR)));//Set the gAmbientMaterialHR(m_pEffect->SetValue(m_gAmbientMaterial, &D3DXCOLOR(1.0,1.0,1.0,0.0), sizeof(D3DXCOLOR)));//Set the gA0HR(m_pEffect->SetFloat(m_gA0, 0.0f));//Set the gA1HR(m_pEffect->SetFloat(m_gA1, 0.0f));//Set the gA2HR(m_pEffect->SetFloat(m_gA2, 0.005));//Set the gLightDirHR(m_pEffect->SetValue(m_gLightDir, &D3DXVECTOR4(0, -1, 0, 0), sizeof(D3DXVECTOR4)));//Set the gSpotRangePowerHR(m_pEffect->SetFloat(m_gSpotRangePower, 10.0f));//Begin passUINT _pass = 0 ;HR(m_pEffect->Begin(&_pass, 0));HR(m_pEffect->BeginPass(0));//Draw the primitivedrawCube();//End passHR(m_pEffect->EndPass());HR(m_pEffect->End());
}

void CubeDemo::drawCube()
{for(int j = 0 ; j < 10 ; j ++){for(int i = 0 ; i < 10 ; i ++){//Create the world matrixD3DXMATRIX _worldM ;D3DXMatrixIdentity(&_worldM);D3DXMatrixTranslation(&_worldM,-20 + 4 * j,0,-20 + i * 4);//Set the gWVP matrixD3DXHANDLE _hWVP = m_pEffect->GetParameterByName(0, "gWVP");HR(m_pEffect->SetMatrix(_hWVP, &(_worldM* m_ViewMatrix* m_ProjMatrix)));//Set the gWorld matrixHR(m_pEffect->SetMatrix(m_gWorld, &_worldM));//Set the gInverseTransposeD3DXMatrixInverse(&_worldM,NULL, &_worldM);D3DXMatrixTranspose(&_worldM, &_worldM);HR(m_pEffect->SetMatrix(m_gInverseTranspose, &_worldM));HR(m_pEffect->CommitChanges());//Draw the teapotHR(m_TeaportMesh->DrawSubset(0));}// end for}// end for}

下面就是这个程序的Shader文件：

//---------------------------------------------------------------------------
// declaration  : Copyright (c), by XJ , 2014 . All right reserved .
// brief    : This file will define the SpotLight shader.
// date     : 2014 / 5 / 26
//----------------------------------------------------------------------------
uniform float4x4 gWVP ;             //这个变量将会保存世界变换矩阵*相机变换矩阵*透视投影矩阵的积//用这个矩阵，将点转化到裁剪空间中去uniform float4x4 gInverseTranspose;       //这个变量将会保存世界变换矩阵的逆矩阵*转置矩阵,用来对法向量进行变换uniform float4   gMaterial;         //这个变量用来保存顶点的材质属性，在本Demo中，将对所有的顶点使用相同的//材质uniform float4   gLightColor;           //这个变量将用来保存一个聚光灯光源的颜色uniform float3   gLightPos;            //这个变量用来保存聚光灯光源的位置uniform float4x4 gWorld;          //这个变量保存世界变换，用来对模型坐标进行变换，从而计算视向量uniform float4   gLightDir;           //这个变量呢将会保存聚光灯的照射方向uniform float    gSpotRangePower;        //这个变量将会保存聚光灯照射范围的大小uniform float3   gEye;              //这个变量保存视点的位置，也就是相机的位置uniform float    gPower    ;           //这个变量将会控制反射光的衰减速度uniform float4   gSpecularLightColor;     //反射光颜色uniform float4   gSpecularMaterial;      //物体对反射光的材质属性uniform float4   gAmbientLightColor;           //环境光颜色uniform float4   gAmbientMaterial;              //物体对环境光的材质属性uniform float    gA0;               //衰变参数a0uniform float    gA1;               //衰变参数a1uniform float    gA2;               //衰变参数a2//定义顶点着色的输入结构体
struct OutputVS
{float4 posH : POSITION0 ;float4 color : COLOR0 ;
};OutputVS SpotVS(float3 posL: POSITION0, float3 normalL: NORMAL0)
{//清空OutputVSOutputVS outputVS = (OutputVS) 0 ;//对顶点的法向向量进行变换normalL = normalize(normalL);float3 normalW = mul(float4(normalL, 0.0f),gInverseTranspose).xyz;normalW = normalize(normalW);//由于是聚光灯光源，每一个顶点的光照向量都不相同，需要重新计算：float3 posW = mul(float4(posL, 1.0), gWorld).xyz ;float3 lightVec = gLightPos.xyz - posW ;lightVec = normalize(lightVec);//根据漫反射公式：// Color = max(L * Normal, 0)*(LightColor*Material)float s = max(dot(lightVec,normalW), 0);float3 diffuse = s*(gMaterial*gLightColor).rgb ;//根据环境光公式：// Color = AmbientColor * AmbientMaterialfloat3 ambient = (gAmbientLightColor * gAmbientMaterial).rgb ;//根据反射光公式：// Color = pow((max(dot(r,v),0)),p) * (SpecularLightColor*SpecularMaterial)float3 view = gEye - posW ;view = normalize(view);float3 ref = reflect(-lightVec, normalW);float t = pow(max(dot(ref,view),0),gPower);float3 specular = t * (gSpecularLightColor * gSpecularMaterial).rgb ;//计算聚光灯的衰变值，根据如下公式：// attenuation = pow((max(dot(dir, lightVec),0)), SpotPower)float spot_attenuation = pow(max(dot(gLightDir, -lightVec),0), gSpotRangePower);//计算漫反射和反射光的衰变值公式如下：// attenuation = a0 + a1*d + a2*d*dfloat dist = distance(gLightPos, posW);float attenuation = gA0 + gA1*dist + gA2 * dist * dist ;//计算最后的颜色outputVS.color.rgb = spot_attenuation * ((diffuse  + specular)/attenuation + ambient);outputVS.color.a = gMaterial.a ;//使用gWVP将世界坐标转化为裁剪坐标outputVS.posH = mul(float4(posL, 1.0f), gWVP);//返回结果return outputVS ;
}// end for Vertex Shaderfloat4 SpotPS(float4 c: COLOR0): COLOR
{return c ;
}// end for Pixel Shadertechnique SpotTech
{pass P0{vertexShader = compile vs_2_0 SpotVS();pixelShader =  compile ps_2_0 SpotPS();}
}

最后是程序的截图，运行这个程序，可以按I，或者K键来控制聚光灯的高度，按A或者D来控制聚光灯在X轴上的位置，使用鼠标控制场景的放大和缩小：

好了，今天又结束了。程序实例已经上传，可自行下载。

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