基础光照
现实世界的光照极其复杂，受多种因素影响，难以用有限的计算资源完整模拟。因此，OpenGL 采用简化模型近似真实光照，既易于实现，视觉效果也较为真实。这些光照模型基于对光的物理特性理解，其中最常用的是 Phong 光照模型。该模型包含三个主要分量：
- 环境光（Ambient）
- 漫反射（Diffuse）
- 镜面光（Specular）
下图展示了这些光照分量的视觉效果：
Phong 光照模型三大分量
- 环境光照（Ambient Lighting）即使在黑暗环境中，世界上也总有一些微弱光线，因此物体几乎不会完全黑暗。通过设置环境光照常量，为物体提供基础色彩。
- 漫反射光照（Diffuse Lighting）模拟光源对物体的方向性影响，是视觉上最显著的部分。物体表面越正对光源，亮度越高。
- 镜面光照（Specular Lighting）模拟有光泽物体表面出现的高光点。镜面光的颜色通常更接近光源色，而非物体本身颜色。
环境光
在现实中，光线通常来自四面八方，经由多次反射间接影响物体。这种现象称为全局照明（Global Illumination），但其计算复杂且资源消耗大。
为简化处理，常用环境光照近似全局照明。只需将一个较小的常量光照颜色添加到物体片段的最终颜色中，即使无直接光源，场景也不会全黑。
实现方式：
void main() {
float ambientStrength = 0.1;
vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;
vec3 result = ambient * objectColor;
FragColor = vec4(result, 1.0);
}
漫反射
环境光不足以展现真实感，漫反射光照可以让物体根据光源方向产生明暗变化。与光线方向越接近的片段，亮度越高。
计算方法：
- 法向量（Normal Vector）：垂直于片段表面的单位向量。
- 光照方向向量：光源位置与片段位置的差向量。
注意：向量需标准化为单位向量，才能正确反映夹角余弦。
代码示例：
vec3 norm = normalize(Normal);
vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
vec3 diffuse = diff * lightColor;
- 点乘值越大，漫反射分量越强。
- 使用 max 保证分量不为负数，避免无定义的负光照。
最终颜色合成：
vec3 result = (ambient + diffuse) * objectColor;
FragColor = vec4(result, 1.0);
关于法向量变换
- 法向量仅表示方向，无空间位置，也无齐次坐标（w 分量）。
- 位移不应影响法向量，变换时应仅保留模型矩阵的左上角 3×3 部分（旋转和缩放）。
- 不等比缩放会破坏法向量的垂直性，需使用法线矩阵（Normal Matrix）进行修正：
法线矩阵定义： 模型矩阵左上角 3×3 的逆矩阵的转置。
代码实现：
Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;
矩阵求逆开销较大，建议在 CPU 端计算后通过 uniform 传递给着色器。
镜面光
镜面光照不仅依赖光照方向与法向量，还与观察方向相关，决定于表面的反射特性。如下图所示：
- 通过法向量翻折入射光方向，得到反射向量。
- 反射向量与观察方向越接近，镜面高光越明显。
计算步骤：
- 定义镜面强度：
float specularStrength = 0.5;
- 计算视线方向和反射方向：
vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
- 计算镜面分量：
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);
vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor;
-
- 32 为反光度（Shininess），值越大高光越集中。
早期光照多在顶点着色器实现，效率高但不够真实。
顶点插值光照称为 Gouraud 着色，片段级光照称为 Phong 着色，后者效果更平滑自然。
观察空间 VS 世界空间 —— 计算 Phong 光照
世界空间
- 全局坐标系：所有物体的统一参考系
- 特点：
-
- 原点固定在世界某一点
- 物体通过模型变换（平移、旋转、缩放）放置其中
- 光源位置通常在世界空间定义
观察空间
- 相机坐标系：以摄像机为中心的坐标系
- 特点：
-
- 原点在摄像机位置
- Z 轴通常指向观察方向（OpenGL 为 -Z，DirectX 为 +Z）
- 通过视图矩阵从世界空间转换而来
| 特性 | 观察空间 | 世界空间 |
| 视线计算 | 简单（相机在原点） | 需要相机位置 |
| 光源处理 | 需转换到观察空间 | 直接使用 |
| 调试便利性 | 较差 | 较好 |
| 与投影结合 | 直接 | 需额外步骤 |
| 性能 | 通常更优 | 略差 |
| 现代应用 | 更常见 | 特定场景 |
