学习OpenGL——第十天

Kimoro
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材质与光照属性详解

在图形渲染中，合理设置材质和光照属性对于实现真实感效果至关重要。本文将从材质定义、光的属性，以及光照贴图三个方面进行系统梳理。

一、材质的基本属性

当描述一个表面时，通常为三个光照分量分别定义材质颜色（Material Color）：

  • 环境光照（Ambient Lighting）
  • 漫反射光照（Diffuse Lighting）
  • 镜面光照（Specular Lighting）

通过为每个分量指定颜色，可以对表面颜色输出进行细致控制。此外，还需添加反光度（Shininess），共同组成完整的材质属性：

#version 330 core 
struct Material { 
    vec3 ambient; 
    vec3 diffuse; 
    vec3 specular; 
    float shininess; 
}; 
uniform Material material;
  • ambient：定义表面在环境光下的反射颜色，通常与表面本身颜色一致。
  • diffuse：定义漫反射光照下的表面颜色，通常设置为期望的物体颜色。
  • specular：定义表面镜面高光的颜色，可用于表现特殊表面效果。
  • shininess：影响镜面高光的散射程度和半径。

二、光的属性

一个光源对其环境光（ambient）、**漫反射光（diffuse）和镜面光（specular）**分量有不同的强度设置：

  • 环境光一般设置为较低强度，避免主导整体色彩。
  • 漫反射分量通常为光源本身的颜色，常见为明亮白色。
  • 镜面光分量建议设为vec3(1.0)，以获得最大强度高光。

可以通过结构体统一管理光源属性：

struct Light { 
    vec3 position; 
    vec3 ambient; 
    vec3 diffuse; 
    vec3 specular; 
} 
uniform Light light;

三、光照贴图的应用

现实世界的物体常常由多种材质构成，因此需要引入漫反射贴图与镜面光贴图，以便对物体的不同光照分量进行精细控制。

1. 漫反射贴图

  • 在着色器中，将漫反射贴图作为sampler2D存储于Material结构体中，替代原有的vec3漫反射颜色向量。

image.png

注意：sampler2D属于不透明类型（Opaque Type），只能通过uniform定义，不能直接实例化或作为函数参数，否则GLSL会报错。这一规则同样适用于封装了不透明类型的结构体。

为简化，通常移除环境光材质颜色向量，直接使用漫反射贴图的颜色：

struct Material { 
    sampler2D diffuse; 
    vec3 specular; 
    float shininess; 
}; 
in vec2 TexCoords;
  • 采样漫反射颜色：

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

  • 设置环境光颜色与漫反射一致：

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

2. 镜面光贴图

  • 可为镜面高光单独使用一张贴图（黑白或彩色），以定义不同部位的镜面光强度。

image.png

  • 镜面强度由贴图像素亮度决定：黑色为vec3(0.0)，灰色为vec3(0.5)，越白镜面分量越强。
  • 通常可通过Photoshop或Gimp将漫反射贴图转为镜面光贴图（黑白化、调整亮度/对比度）。
  • 更新材质结构体以支持镜面光贴图：
struct Material { 
    sampler2D diffuse; 
    sampler2D specular; 
    float shininess; 
};
  • 在片段着色器中采样镜面光贴图：
vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)); 
vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)); 
vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords)); 
FragColor = vec4(ambient + diffuse + specular, 1.0);

通过上述方法，可以灵活且精确地控制物体的材质表现和光照效果，实现更高质量的渲染结果。

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