光照贴图

186 阅读7分钟

光照贴图

​ 上一节中,我们将整个物体的材质定义为一个整体,但现实世界中的物体通常并不只包含有一种材质,而是由多种材质所组成。想想一辆汽车:它的外壳非常有光泽,车窗会部分反射周围的环境,轮胎不会那么有光泽,所以它没有镜面高光,轮毂非常闪亮(如果你洗车了的话)。汽车同样会有漫反射和环境光颜色,它们在整个物体上也不会是一样的,汽车有着许多种不同的环境光/漫反射颜色。总之,这样的物体在不同的部件上都有不同的材质属性。

​ 拓展之前的系统,引入漫反射镜面光贴图(Map)。这允许我们对物体的漫反射分量(以及间接地对环境光分量,它们几乎总是一样的)和镜面光分量有着更精确的控制。

漫反射贴图

​ 现在希望通过某种方式对物体的每个片段单独设置漫反射颜色,也就是使用纹理,在光照场景中,它通常叫做一个漫反射贴图(Diffuse Map),其实都是使用一张覆盖物体的图像,让我们能够逐片段索引其独立的颜色值。

着色器中使用漫反射贴图的方法和纹理教程中是完全一样的

注意sampler2D是所谓的不透明类型(Opaque Type),也就是说我们不能将它实例化,只能通过uniform来定义它。如果我们使用除uniform以外的方法(比如函数的参数)实例化这个结构体,GLSL会抛出一些奇怪的错误。这同样也适用于任何封装了不透明类型的结构体。

我们也移除了环境光材质颜色向量,因为环境光颜色在几乎所有情况下都等于漫反射颜色,所以我们不需要将它们分开储存:

struct Material {
    sampler2D diffuse;
    vec3      specular;
    float     shininess;
}; 
...
in vec2 TexCoords;

注意我们将在片段着色器中再次需要纹理坐标,所以我们声明一个额外的输入变量。接下来我们只需要从纹理中采样片段的漫反射颜色值即可:

vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));

不要忘记将环境光的材质颜色设置为漫反射材质颜色同样的值。

vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));

这就是使用漫反射贴图的全部步骤了。你可以看到,这并不是什么新的东西,但这能够极大地提高视觉品质。为了让它正常工作,我们还需要使用纹理坐标更新顶点数据,将它们作为顶点属性传递到片段着色器,加载材质并绑定材质到合适的纹理单元。

镜面光贴图

镜面高光看起来有些奇怪,因为我们的物体大部分都是木头,我们知道木头不应该有这么强的镜面高光的。我们可以将物体的镜面光材质设置为vec3(0.0)来解决这个问题,但这也意味着箱子钢制的边框将不再能够显示镜面高光了,我们知道钢铁应该是有一些镜面高光的。所以,我们想要让物体的某些部分以不同的强度显示镜面高光。这个问题看起来和漫反射贴图非常相似。

可以使用一个专门用于镜面高光的纹理贴图。这也就意味着我们需要生成一个黑白的(如果你想得话也可以是彩色的)纹理,来定义物体每部分的镜面光强度,

镜面高光的强度可以通过图像每个像素的亮度来获取。镜面光贴图上的每个像素都可以由一个颜色向量来表示,比如说黑色代表颜色向量vec3(0.0),灰色代表颜色向量vec3(0.5)。在片段着色器中,我们接下来会取样对应的颜色值并将它乘以光源的镜面强度。一个像素越「白」,乘积就会越大,物体的镜面光分量就会越亮。

这里要使用的纹理贴图,实际上是用颜色值来表示各部分应该会对镜面反射造成的贡献值,而不是用于实际显示的图像

怎么理解呢,首先

镜面反射(Specular Reflection) 是表面光滑度的表现,决定了光源照射到物体表面后反射的高光部分的强度和分布。

镜面高光贴图 是一张纹理,它用来控制物体表面在不同区域的 镜面反射强度。这通常是一张灰度图,其中每个像素值代表镜面反射的强度。

  • 黑色(vec3(0.0):表示没有镜面反射,表面是完全粗糙的(比如木头或磨砂表面)。

  • 灰色(vec3(0.5):表示中等强度的镜面反射,通常用于有一定光滑度的材质(如大理石或抛光金属)。

  • 白色(vec3(1.0):表示非常强的镜面反射,通常用于非常光滑的材质(如光泽金属、玻璃等)。

也就是通过颜色值来决定对镜面反射的强度。由于箱子大部分都由木头所组成,而且木头材质应该没有镜面高光,所以漫反射纹理的整个木头部分全部都转换成了黑色。箱子钢制边框的镜面光强度是有细微变化的,钢铁本身会比较容易受到镜面高光的影响,而裂缝则不会。

实际角度来说,木头其实也有镜面高光,尽管它的反光度(Shininess)很小(更多的光被散射),影响也比较小

采样镜面光贴图

采样镜面光贴图与其他纹理类似,代码也类似,材质结构体中:

struct Material{
    //vec3 ambient;
    sampler2D diffuse;
    //vec3 specular;
    sampler2D specular;
    float shininess;    //高光的反光度
};
uniform Material material;

加载纹理到对用的纹理槽中

	m_Texture_spec = std::make_unique<Texture>("res/textures/container_spec.png", 1);
	m_Material.specular = 1;
	m_CubeShader->SetUniform1i("material.specular", m_Material.specular);		//镜面光贴图

设置材质的镜面光使用一号纹理作为颜色值。

最后计算

vec3 specular = light.specular * (spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords)));   //镜面分量

通过使用镜面光贴图我们可以可以对物体设置大量的细节,比如物体的哪些部分需要有闪闪发光的属性,我们甚至可以设置它们对应的强度。镜面光贴图能够在漫反射贴图之上给予我们更高一层的控制。

如果你想另辟蹊径,你也可以在镜面光贴图中使用真正的颜色,不仅设置每个片段的镜面光强度,还设置了镜面高光的颜色。从现实角度来说,镜面高光的颜色大部分(甚至全部)都是由光源本身所决定的,所以这样并不能生成非常真实的视觉效果(这也是为什么图像通常是黑白的,我们只关心强度)。

所以不管是什么贴图,都是颜色值,如果想通过贴图来控制光强度,就转换成黑白图像后,作为一个强度值来处理光得到相应的效果,黑色的是0.0,那么这个强度在计算时会使对应的分量不会影响强度,如果图像白色则表示强度拉满

放射光贴图(Emission Map)

它是一个储存了每个片段的发光值(Emission Value)的贴图。发光值是一个包含(假设)光源的物体发光(Emit)时可能显现的颜色,这样的话物体就能够忽略光照条件进行发光(Glow)。游戏中某个物体在发光的时候,你通常看到的就是放射光贴图比如img

或是img

通过代码

    // emission
    //vec3 emission = texture(material.emission, TexCoords).rgb;
    vec4 emissiontmp = texture(material.emission, vec2(TexCoords.x,TexCoords.y+matrixmove));
    
     // 假设木头区域的UV坐标范围是[0.0, 0.5],你可以根据实际情况调整
    if (!(TexCoords.x > 0.1 && TexCoords.x < 0.9 && TexCoords.y > 0.1 && TexCoords.y < 0.9)) {
        emissiontmp = vec4(0.0);  // 如果是金属边框区域,将纹理颜色置为透明
    }
    //vec3 emission = emissiontmp.rgb;
    vec3 emission = matrixlight * emissiontmp.rgb;
    
    vec3 result = (ambient + diffuse + specular + emission) * objectColor;

片段着色器是为每个片段都执行的,所以这个判断可以设置对应区域

20a824be75c85790e914ebb9aa8c403.png

光照贴图 - LearnOpenGL CN