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光照与材质

在现实世界里，每个物体会对光产生不同的反应。比如，钢制物体看起来通常会比陶土花瓶更闪闪发光，一个木头箱子也不会与一个钢制箱子反射同样程度的光。有些物体反射光的时候不会有太多的散射(Scatter)，因而产生较小的高光点，而有些物体则会散射很多，产生一个有着更大半径的高光点。如果我们想要在OpenGL中模拟多种类型的物体，我们必须针对每种表面定义不同的材质(Material)属性。

当描述一个表面时，我们可以分别为三个光照分量定义一个材质颜色(Material Color)：环境光照(Ambient Lighting)、漫反射光照(Diffuse Lighting)和镜面光照(Specular Lighting)，再添加一个反光度(Shininess)分量。将这个结构体写入片段着色器，简单理解就是把物体颜色分成了三部分，然后在三种光照计算中分别使用，最后直接将光照相加即可

#version 330 core
out vec4 FragColor;

// 材质结构体
struct Material {
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
    float shininess;
};

// 法线
in vec3 Normal;
// 像素对应空间位置
in vec3 FragPos;
// 光照位置
uniform vec3 lightPos;
// 光照颜色
uniform vec3 lightColor;
// 摄像机位置
uniform vec3 viewPos;
// 材质
uniform Material material;
void main()
{
    // 环境光
    vec3 ambient = lightColor * material.ambient;

    // 漫反射
    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
    float diff = max(dot(norm,lightDir),0.0);
    vec3 diffuse = lightColor * (diff * material.diffuse);

    // 高光反射
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);
    vec3 specular = (spec * material.specular) * lightColor;
	
	// 综合
    vec3 result = ambient + diffuse + specular;
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

对于结构体的uniform，赋值方法比较简单

lightingShader.setVec3("material.ambient",  1.0f, 0.5f, 0.31f);
lightingShader.setVec3("material.diffuse",  1.0f, 0.5f, 0.31f);
lightingShader.setVec3("material.specular", 0.5f, 0.5f, 0.5f);
lightingShader.setFloat("material.shininess", 32.0f);

这个物体太亮了。物体过亮的原因是环境光、漫反射和镜面光这三个颜色对任何一个光源都全力反射。同样，我们可以对光源的环境光、漫反射和镜面光属性进行分别设置。这样设置可以对被光照物体的比如环境光强度统一设置

struct Light {
    vec3 position;

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};

uniform Light light;

这样设置光照

        cubeShader.setVec3("light.ambient",  0.2f, 0.2f, 0.2f);
        cubeShader.setVec3("light.diffuse",  0.5f, 0.5f, 0.5f); // 将光照调暗了一些以搭配场景
        cubeShader.setVec3("light.specular", 1.0f, 1.0f, 1.0f);
        cubeShader.setVec3("light.position", lightPos);

下面可以做一些有趣的处理，让光源的ambientColor和diffuseColor随时间变化

        glm::vec3 lightColor;
        lightColor.x = sin(glfwGetTime() * 2.0f);
        lightColor.y = sin(glfwGetTime() * 0.7f);
        lightColor.z = sin(glfwGetTime() * 1.3f);
        glm::vec3 diffuseColor = lightColor   * glm::vec3(0.5f); // 降低影响
        glm::vec3 ambientColor = diffuseColor * glm::vec3(0.2f); // 很低的影响
        cubeShader.setVec3("light.ambient", ambientColor);
        cubeShader.setVec3("light.diffuse", diffuseColor);

光照贴图

在上一节中，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。

漫反射贴图

我们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。用纹理就能实现。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。在光照场景中，它通常叫做一个漫反射贴图(Diffuse Map)。这也就解释了为什么把纹理作为漫反射系数。

将Material的漫反射项改为采样器，通过UV坐标采样漫反射贴图，这里还移除了环境光，因为因为环境光颜色在几乎所有情况下都等于漫反射颜色

struct Material {
    sampler2D diffuse;
    vec3      specular;
    float     shininess;
}; 

之后就是常规的把采样器设置好，就可以了。提供一个加载纹理的方法

// 加载材质返回纹理ID
GLuint loadTexture(char const * path)
{
    GLuint textureID;
    glGenTextures(1, &textureID);

    int width, height, nrComponents;
    unsigned char *data = stbi_load(path, &width, &height, &nrComponents, 0);
    if (data)
    {
        GLenum format;
        if (nrComponents == 1)
            format = GL_RED;
        else if (nrComponents == 3)
            format = GL_RGB;
        else if (nrComponents == 4)
            format = GL_RGBA;

        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID);
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, format, width, height, 0, format, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
        glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);

        glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

        stbi_image_free(data);
    }
    else
    {
        std::cout << "Texture failed to load at path: " << path << std::endl;
        stbi_image_free(data);
    }

    return textureID;
}

采样镜面光贴图

虽然纹理颜色上了，但是木头和铁边的高光应该是不一样的，所以高光的系数也需要一张贴图来定义，来保证不同的位置高光系数是不一样的，下图就表示边上才有颜色，中间对高光的贡献小

同样，把高光颜色也设置为采样器

struct Material {
    sampler2D diffuse;
    sampler2D specular;
    float     shininess;
};

最终就只有铁边反射