学习OpenGL——第十一天

光照模型详解：定向光、点光源与聚光

---

一、平行光（定向光）

当光源距离极远时，光线近似为平行，这种理想化的光源称为定向光。此时，无论物体或观察者的位置如何，场景中的所有光线都来自同一方向，与光源具体位置无关。

• 典型例子：太阳。虽然太阳不是无限远，但在光照计算中可视为无限远，因此可将太阳光近似为平行光线。

定向光的特点：

• 所有光线方向一致，物体与光源的相对位置不影响光照方向。
• 着色时可直接定义光的方向向量，无需光源位置。

实现方式：

• 在着色器中定义光的方向向量（direction），而非位置向量。
• 计算光照时，需将方向向量取反，并进行标准化。

struct DirLight {
vec3 direction;
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};

vec3 CalcDirLight(DirLight light, vec3 normal, vec3 viewDir){
    vec3 lightDir = normalize(-light.direction);
    float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuseMap, TexCoords));
    vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuseMap, TexCoords));
    vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specularMap, TexCoords));
    return (ambient + diffuse + specular);
}

注意事项：

• 光线方向需取反（从片段指向光源）。
• 向量需标准化，避免错误计算。
• 使用vec4表示向量时，方向向量的w分量应为0.0，位置向量为1.0，可用于区分光照类型。

旧OpenGL通过检测w分量判断光源类型：w=0为定向光，w=1为位置光源。

---

二、点光源

点光源位于世界中的某一点，向四周均匀发射光线，光强随距离递减。常见的点光源包括灯泡、火把等。

点光源特点：

• 光照随距离衰减，称为Attenuation（衰减）。
• 实际中，采用二次方程进行光强衰减以更真实地模拟物理现象。

$F_{att} = \frac{1.0}{K_c+K_i*d+K_d*d^2}$

衰减参数说明：

• 常数项（Kc）：通常为1.0，保证分母不小于1，防止光强异常。
• 一次项（Kl）：与距离成正比，线性递减光强。
• 二次项（Kq）：与距离的平方成正比，远距离时影响更大。

点光源结构体定义：

struct PointLight {
    vec3 position;

    float constant;
    float linear;
    float quadratic;

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
}; 

实现方式：

• 计算片段与光源距离，代入衰减公式，分别作用于环境光、漫反射和镜面光分量。

vec3 CalcPointLight(PointLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir){
    vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);
    float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    float distance = length(light.position - fragPos);
    float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * (distance * distance));    
    vec3 ambient  = light.ambient  * vec3(texture(material.diffuseMap, TexCoords));
    vec3 diffuse  = light.diffuse  * diff * vec3(texture(material.diffuseMap, TexCoords));
    vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specularMap, TexCoords));
    return (ambient + diffuse + specular) * attenuation;
}

---

三、聚光（Spotlight）

聚光是一种只在某一方向、特定角度范围内发射光线的光源，类似于路灯或手电筒。只有位于聚光锥体内的物体会被照亮，其余部分保持黑暗。

聚光参数说明：

• LightDir：从片段指向光源的向量。
• SpotDir：聚光方向向量。
• Cutoff Angle（切光角）：决定聚光锥体的半径。
• Theta：LightDir与SpotDir的夹角，判断片段是否在锥体内。

结构体定义：

struct SpotLight {
    vec3 position;
    vec3 direction;
    float cutOff;
    float outerCutOff;

    float constant;
    float linear;
    float quadratic;

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};

边缘平滑处理：

• 定义内圆锥（cutOff）和外圆锥（outerCutOff），在二者之间，光强平滑过渡。

$I=\frac{θ-γ}{ϵ}$

• 通过计算theta与cutOff、outerCutOff的关系，利用clamp函数将强度约束在0到1之间。

聚光实现示例：

vec3 CalcSpotLight(SpotLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir){
    vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);
    float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    float distance = length(light.position - fragPos);
    float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * (distance * distance));    
    vec3 ambient  = light.ambient  * vec3(texture(material.diffuseMap, TexCoords));
    vec3 diffuse  = light.diffuse  * diff * vec3(texture(material.diffuseMap, TexCoords));
    vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specularMap, TexCoords));
    float theta     = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
    float epsilon   = light.cutOff - light.outerCutOff;
    float intensity = clamp((theta - light.outerCutOff) / epsilon, 0.0, 1.0);
    return (ambient + diffuse + specular) * attenuation * intensity;
}

提示：clamp函数确保强度值始终在0~1之间，保证光照过渡自然。

---