OpenGL学习- 13. 光照计算

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13.光照计算

基础

光照基础

  • 环境光照(ambient):环境光照没有起点和方向,主要通过设置物体颜色来获取
  • 漫反射光照(diffuse):模拟的是一个光源对物体的影响
  • 镜面光照(specular):光源在物体上产生的亮点 15888223552592.jpg 光照特性
  • 发射光:由物体自身发光
  • 环境光:在环境中充分散射的光,而且无法分辨它的方向
  • 漫反射光:光线来自某个方向,但在物体上各个方向反射
  • 镜面高光:光线来自某个方向,然后在物体表面上以一个特定的方向反射出去 15903935591814.jpg 材质属性
  • 泛射材质
  • 漫反射材质
  • 镜面反射材质
  • 反射材质

光照计算

光照颜色:

光照颜色 = 发射光 + 全局环境颜色 + (环境光 + 漫反射光 + 镜面反射光) * 聚光灯因子 * 衰减因子
聚光灯因子 = clamp((外环的聚光灯角度cos值 - 当前顶点的聚光灯角度cos值)/(外环的聚光灯角度cos值 - 内环聚光灯角度cos值), 0, 1)
衰减因子 = 1.0 / (距离衰减常量 + 线性衰减常量 * 距离 + 二次衰减常量 * 距离的平方)

发射光:

物体的反射材质本身颜色

环境光:

环境光颜色 = 光源的环境光颜色 * 物体的材质颜色

漫反射光:

DiffuseFactor = max(0, dot(N,L)),
漫反射因子DiffuseFactor是光线与顶点法线向量的点积

镜面高光:

镜面反射颜色 = 光源的镜面光的颜色 * 物体的镜面材质颜色 * SpecularFactor;SpecularFactor = power(max(0, dot(N, H)), shininess),
H:视线向量E与光线向量L的半向量
dot(N, H):H,N的点积几何意义,平方线与法线夹角的cos值
shininess:高光的反光强度

环境光、漫反射光和镜面光的强度都会受距离的增大而衰减,只有发射光和全局环境光的强度不受影响

着色器 - 光源

#version 300 es //OpenGL版本:这个表示OpenGL ES 3.0

precision mediump float;
out vec4 FragColor;

uniform vec3 lightColor;    //光源颜色
uniform vec3 lightPo;       //光源位置
uniform vec3 viewPo;        //视角位置
uniform sampler2D Texture;          //物体纹理
uniform sampler2D specularTexture;  //镜面纹理

in vec2 outTexCoord;    //纹理坐标
in vec3 outNormal;      //顶点法向量
in vec3 FragPo;         //顶点坐标

点光源

float ambientStrength = 0.3;    //环境因子
float specularStrength = 2.0;   //镜面强度
float reflectance = 256.0;      //反射率

float constantPara = 1.0f;     //距离衰减常量
float linearPara = 0.09f;      //线性衰减常量
float quadraticPara = 0.032f;  //二次衰减常量

//环境光 = 环境因子 * 物体的材质颜色
vec3 ambient = ambientStrength * texture(Texture,outTexCoord).rgb;

//漫反射
vec3 norm = normalize(outNormal);
//当前顶点 至 光源的的单位向量
vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo);
//DiffuseFactor=光源与法线夹角 max(0,dot(N,L))
float diff = max(dot(norm,lightDir),0.0);
//漫反射光颜色计算 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫发射材质颜色 * DiffuseFactor
vec3 diffuse = diff * lightColor*texture(Texture,outTexCoord).rgb;

//镜面反射
vec3 viewDir = normalize(viewPo - FragPo);
// reflect (genType I, genType N),返回反射向量
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir,outNormal);
//SpecularFactor = power(max(0,dot(N,H)),shininess)
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir),0.0),reflectance);
//镜面反射颜色 = 光源的镜面光的颜色 * 物体的镜面材质颜色 * SpecularFactor
vec3 specular = specularStrength * spec * texture(specularTexture,outTexCoord).rgb;

//衰减因子计算
float LFDistance = length(lightPo - FragPo);
//衰减因子 =  1.0/(距离衰减常量 + 线性衰减常量 * 距离 + 二次衰减常量 * 距离的平方)
float lightWeakPara = 1.0/(constantPara + linearPara * LFDistance + quadraticPara * (LFDistance*LFDistance));
    
//光照颜色 =(环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜面反射颜色)* 衰减因子
vec3 res = (ambient + diffuse + specular)*lightWeakPara;

//最终输出的颜色
FragColor = vec4(res,1.0);

平行光

float ambientStrength = 0.3;    //环境因子
float specularStrength = 2.0;   //镜面强度
float reflectance = 256.0;      //反射率

//平行光方向
//vec3 paraLightDir = normalize(vec3(-0.2,-1.0,-0.3));
vec3 paraLightDir =normalize(vec3(-1,-1,1));

//环境光 = 环境因子 * 物体的材质颜色
vec3 ambient = ambientStrength * texture(Texture,outTexCoord).rgb;

//漫反射
vec3 norm = normalize(outNormal);
//当前顶点至光源的的单位向量
vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo);
//DiffuseFactor=光源与paraLightDir 平行光夹角 max(0,dot(N,L))
float diff = max(dot(norm,paraLightDir),0.0);
//漫反射光颜色计算 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫发射材质颜色 * DiffuseFactor
vec3 diffuse = diff * lightColor * texture(Texture,outTexCoord).rgb;

//镜面反射
vec3 viewDir = normalize(viewPo - FragPo);
// reflect (genType I, genType N),返回反射向量 -paraLightDir平行光
vec3 reflectDir = reflect(-paraLightDir,outNormal);
//SpecularFactor = power(max(0,dot(N,H)),shininess)
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir),0.0),reflectance);
//镜面反射颜色 = 光源的镜面光的颜色 * 物体的镜面材质颜色 * SpecularFactor
vec3 specular = specularStrength * spec * texture(specularTexture,outTexCoord).rgb;

//距离衰减常量
float constantPara = 1.0f;
//线性衰减常量
float linearPara = 0.09f;
//二次衰减常量
float quadraticPara = 0.032f;
//衰减因子计算
float LFDistance = length(lightPo - FragPo);
//衰减因子 =  1.0/(距离衰减常量 + 线性衰减常量 * 距离 + 二次衰减常量 * 距离的平方)
float lightWeakPara = 1.0/(constantPara + linearPara * LFDistance + quadraticPara * (LFDistance*LFDistance));

//光照颜色 =(环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜面反射颜色)* 衰减因子
vec3 res = (ambient + diffuse + specular)*lightWeakPara;
    
//最终输出的颜色
FragColor = vec4(res,1.0);

聚光灯

float ambientStrength = 0.3;    //环境因子
float specularStrength = 2.0;   //镜面强度
float reflectance = 256.0;      //反射率

//环境光 = 环境因子 * 物体的材质颜色
vec3 ambient = ambientStrength * texture(Texture,outTexCoord).rgb;

//漫反射
vec3 norm = normalize(outNormal);
vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo);    //当前顶点 至 光源的的单位向量
//DiffuseFactor=光源与paraLightDir lightDir夹角 max(0,dot(N,L))
float diff = max(dot(norm,lightDir),0.0);   //光源与法线夹角
//漫反射光颜色计算 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫发射材质颜色 * DiffuseFactor
vec3 diffuse = diff * lightColor*texture(Texture,outTexCoord).rgb;

//镜面反射
vec3 viewDir = normalize(viewPo - FragPo);
 // reflect (genType I, genType N),返回反射向量
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir,outNormal);
//SpecularFactor = power(max(0,dot(N,H)),shininess)
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir),0.0),reflectance);
//镜面反射颜色 = 光源的镜面光的颜色 * 物体的镜面材质颜色 * SpecularFactor
vec3 specular = specularStrength * spec * texture(specularTexture,outTexCoord).rgb;

float constantPara = 1.0f;    //距离衰减常量
float linearPara = 0.09f;     //线性衰减常量
float quadraticPara = 0.032f; //二次衰减常量
    
//衰减因子计算
float LFDistance = length(lightPo - FragPo);
//衰减因子 =  1.0/(距离衰减常量 + 线性衰减常量 * 距离 + 二次衰减常量 * 距离的平方)
float lightWeakPara = 1.0/(constantPara + linearPara * LFDistance + quadraticPara * (LFDistance*LFDistance));

//聚光灯切角 (一些复杂的计算操作 应该让CPU做,提高效率,不变的量也建议外部传输,避免重复计算)
float inCutOff = cos(radians(10.0f));
float outCutOff = cos(radians(15.0f));
vec3 spotDir = vec3(-1.2f,-1.0f,-2.0f);
    
//聚光灯因子 = clamp((外环的聚光灯角度cos值 - 当前顶点的聚光灯角度cos值)/(外环的聚光灯角度cos值- 内环聚光灯的角度的cos值),0,1);
float theta = dot(lightDir,normalize(-spotDir));
//(外环的聚光灯角度cos值- 内环聚光灯的角度的cos值)
float epsilon  = inCutOff - outCutOff;
//(外环的聚光灯角度cos值 - 当前顶点的聚光灯角度cos值) / (外环的聚光灯角度cos值- 内环聚光灯的角度的cos值)
float intensity = clamp((theta - outCutOff)/epsilon,0.0,1.0);
vec3 res = (ambient + diffuse + specular)*intensity*lightWeakPara;

FragColor = vec4(res,1.0);

漫反射

float ambientStrength = 0.3;    //环境因子
//环境光 = 环境因子 * 物体的材质颜色
vec3 ambient = ambientStrength * texture(Texture,outTexCoord).rgb;
    
//光源方向
//vec3 paraLightDir =normalize(vec3(0,1,0));

//漫反射
vec3 norm = normalize(outNormal);
vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo);    //当前顶点 至 光源的的单位向量
//DiffuseFactor=光源与paraLightDir lightDir夹角 max(0,dot(N,L))
float diff = max(dot(norm,lightDir),0.0);   //光源与法线夹角
//漫反射光颜色计算 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫发射材质颜色 * DiffuseFactor
vec3 diffuse = diff * lightColor * texture(Texture,outTexCoord).rgb;
    
 vec3 res = ambient + diffuse;
 FragColor = vec4(res,1.0);

光照效果简单演示Demo --- SimpleLightingDemo

项目中各顶点位置示意图 15900635997135.jpg 15903961106112.jpg 15903961840350.jpg Attribute变量可以使用layout来标识一个本地标识,外部可以直接使用,⚠️仅Attribute可以使用layout标记

代码示例见:Github