OpenGL Lighting

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一、 冯氏光照模型(Phong Lighting Model)

Phong模型由三种反射光组成，分别是环境光、漫反射光、镜面反射光。

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环境光（Ambient lighting）

简单来说就是不可能黑暗的很纯粹，在减少资源开销的情况下，我们使用一个简单的很小的常量环境因子乘以光照颜色。

void main()
{
    float ambientStrength = 0.1;
    vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;

    vec3 result = ambient * objectColor;
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

• 代码中可以看到就是在片元着色器中使用 常量环境因子 * 光照 * 物体颜色 来当做环境光

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漫反射光照（Diffuse lighting）

简而言之就是，物体表面不同的点，反射的光强并不一定是一样的。在Phong模型里，光线的入射角和该点的法线越近光强越强。

    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);
	float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
	vec3 diffuse = diff * lightColor;

1. 点积和叉积的常用作用
   1. 点积：求两向量夹角（接近程度）；投影
   2. 叉积：判断两个向量的做优；判断一个点是否在里在外；通过两个向量确定一个坐标系
      入射方向是光源指向片元，而不是片元指向光源
      点乘是两个向量的长度与它们夹角余弦的积，所以dot参数顺序不影响

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漫反射光照（Specular Lighting）

同上，反射后的光强随着观察者的观察角度而变化
观察者的观察角度和反射向量越近则光强越强

    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    vec3 specular = light.specular * (spec * material.specular);

• 注意reflect的取反，reflect函数是利用点积来实现的
• 32次幂，次数越高，光斑越小越集中

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二、 材质(Materials)

长话短说，就是物体的自身属性会对光产生不同的反应。

• ambient（环境光）
• diffuse（漫反射）
• specular（高光）
• shininess（反光度）

主要开始在shader用结构体存储数据

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光照贴图(Lighting maps)

我们可以不要把贴图当做一张图，而是一种数据存储方式

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漫反射贴图和镜面光贴图

简而言之就是贴图存储了上述的漫反射参数，在片元着色器里对其进行采样赋值。

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);

法线贴图/位移贴图/反射贴图

• 法线贴图：改变法线实现凹凸效果
• 位移贴图：改变顶点实现凹凸效果
• 反射贴图：改变法线

用Unity表示效果

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三、投光物（Light casters）

其实就是光源

平行光（Direct Light）

• 无限远
• 方向相同

vec3 lightDir = normalize(-light.direction);

定义一个光线方向向量而不是位置向量来模拟一个定向光

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点光源 （Point Light）

球形加光强衰减

• 重点是衰减函数，知道就行，不予赘述。
• 注意一点，所有光照有关的都是设置被照的物体的shader上

float distance    = length(light.position - FragPos);
float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + 
                light.quadratic * (distance * distance));

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聚光等（Spot Light）

类似锥形，手电。

• 判断是否在聚光灯照射内
• 平滑/软化边缘

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四、多光源（Multiple lights）

void main()
{
    // 属性
    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);

    // 第一阶段：定向光照
    vec3 result = CalcDirLight(dirLight, norm, viewDir);
    // 第二阶段：点光源
    for(int i = 0; i < NR_POINT_LIGHTS; i++)
        result += CalcPointLight(pointLights[i], norm, FragPos, viewDir);    
    // 第三阶段：聚光
    result += CalcSpotLight(spotLight, norm, FragPos, viewDir);    

    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

其实就是分装不同的类型，然后逐一叠加。
但是此处并未考虑前向或者延迟渲染。