文章目录
- 环境光照
- 漫反射光照
- 计算漫反射光照
- 镜面光照
- 代码
现实世界的光照是极其复杂的，而且会受到诸多因素的影响，这是我们有限的计算能力所无法模拟的。因此OpenGL的光照使用的是简化的模型，对现实的情况进行近似，这样处理起来会更容易一些，而且看起来也差不多一样。这些光照模型都是基于我们对光的物理特性的理解。其中一个模型被称为冯氏光照模型(Phong Lighting Model)。冯氏光照模型的主要结构由3个分量组成：环境(Ambient)、漫反射(Diffuse)和镜面(Specular)光照。下面这张图展示了这些光照分量看起来的样子：
环境光照(Ambient Lighting)：即使在黑暗的情况下，世界上通常也仍然有一些光亮（月亮、远处的光），所以物体几乎永远不会是完全黑暗的。为了模拟这个，我们会使用一个环境光照常量，它永远会给物体一些颜色。
漫反射光照(Diffuse Lighting)：模拟光源对物体的方向性影响(Directional Impact)。它是冯氏光照模型中视觉上最显著的分量。物体的某一部分越是正对着光源，它就会越亮。
镜面光照(Specular Lighting)：模拟有光泽物体上面出现的亮点。镜面光照的颜色相比于物体的颜色会更倾向于光的颜色。
为了创建有趣的视觉场景，我们希望模拟至少这三种光照分量。我们将以最简单的一个开始：环境光照。
环境光照
光通常都不是来自于同一个光源，而是来自于我们周围分散的很多光源，即使它们可能并不是那么显而易见。光的一个属性是，它可以向很多方向发散并反弹，从而能够到达不是非常直接临近的点。所以，光能够在其它的表面上反射，对一个物体产生间接的影响。考虑到这种情况的算法叫做全局照明(Global Illumination)算法，但是这种算法既开销高昂又极其复杂。
由于我们现在对那种又复杂又开销高昂的算法不是很感兴趣，所以我们将会先使用一个简化的全局照明模型，即环境光照。
把环境光照添加到场景里非常简单。我们用光的颜色乘以一个很小的常量环境因子，再乘以物体的颜色，然后将最终结果作为片段的颜色：
void main()
{
float ambientStrength = 0.1;
vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;
vec3 result = ambient * objectColor;
FragColor = vec4(result, 1.0);
}
如果你现在运行你的程序，你会注意到冯氏光照的第一个阶段已经应用到你的物体上了。这个物体非常暗，但由于应用了环境光照（注意光源立方体没受影响是因为我们对它使用了另一个着色器），也不是完全黑的。它看起来应该像这样：
漫反射光照
环境光照本身不能提供最有趣的结果，但是漫反射光照就能开始对物体产生显著的视觉影响了。漫反射光照使物体上与光线方向越接近的片段能从光源处获得更多的亮度。为了能够更好的理解漫反射光照，请看下图：
图左上方有一个光源，它所发出的光线落在物体的一个片段上。我们需要测量这个光线是以什么角度接触到这个片段的。如果光线垂直于物体表面，这束光对物体的影响会最大化（译注：更亮）。为了测量光线和片段的角度，我们使用一个叫做法向量(Normal Vector)的东西，它是垂直于片段表面的一个向量(这里以黄色箭头表示)。
计算漫反射光照
我们现在对每个顶点都有了法向量，但是我们仍然需要光源的位置向量和片段的位置向量。由于光源的位置是一个静态变量，我们可以简单地在片段着色器中把它声明为uniform：
uniform vec3 lightPos;
然后在渲染循环中（渲染循环的外面也可以，因为它不会改变）更新uniform。我们使用在前面声明的lightPos向量作为光源位置：
lightingShader.setVec3("lightPos", lightPos);
最后，我们还需要片段的位置。我们会在世界空间中进行所有的光照计算，因此我们需要一个在世界空间中的顶点位置。我们可以通过把顶点位置属性乘以模型矩阵（不是观察和投影矩阵）来把它变换到世界空间坐标。这个在顶点着色器中很容易完成，所以我们声明一个输出变量，并计算它的世界空间坐标：
out vec3 FragPos;
out vec3 Normal;
void main()
{
gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
Normal = aNormal;
}
最后，在片段着色器中添加相应的输入变量。
in vec3 FragPos;
现在，所有需要的变量都设置好了，我们可以在片段着色器中添加光照计算了。
我们需要做的第一件事是计算光源和片段位置之间的方向向量。前面提到，光的方向向量是光源位置向量与片段位置向量之间的向量差。我们同样希望确保所有相关向量最后都转换为单位向量，所以我们把法线和最终的方向向量都进行标准化：
vec3 norm = normalize(Normal);
vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
当计算光照时我们通常不关心一个向量的模长或它的位置，我们只关心它们的方向。所以，几乎所有的计算都使用单位向量完成，因为这简化了大部分的计算（比如点乘）。所以当进行光照计算时，确保你总是对相关向量进行标准化，来保证它们是真正地单位向量。忘记对向量进行标准化是一个十分常见的错误。
下一步，我们对norm和lightDir向量进行点乘，计算光源对当前片段实际的漫反射影响。结果值再乘以光的颜色，得到漫反射分量。两个向量之间的角度越大，漫反射分量就会越小：
float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
vec3 diffuse = diff * lightColor;
如果两个向量之间的角度大于90度，点乘的结果就会变成负数，这样会导致漫反射分量变为负数。为此，我们使用max函数返回两个参数之间较大的参数，从而保证漫反射分量不会变成负数。负数颜色的光照是没有定义的，所以最好避免它，除非你是那种古怪的艺术家。
现在我们有了环境光分量和漫反射分量，我们把它们相加，然后把结果乘以物体的颜色，来获得片段最后的输出颜色。
vec3 result = (ambient + diffuse) * objectColor;
FragColor = vec4(result, 1.0);
如果你的应用(和着色器)编译成功了，你可能看到类似的输出：
镜面光照
和漫反射光照一样，镜面光照也决定于光的方向向量和物体的法向量，但是它也决定于观察方向，例如玩家是从什么方向看向这个片段的。镜面光照决定于表面的反射特性。如果我们把物体表面设想为一面镜子，那么镜面光照最强的地方就是我们看到表面上反射光的地方。你可以在下图中看到效果：
我们通过根据法向量翻折入射光的方向来计算反射向量。然后我们计算反射向量与观察方向的角度差，它们之间夹角越小，镜面光的作用就越大。由此产生的效果就是，我们看向在入射光在表面的反射方向时，会看到一点高光。
观察向量是我们计算镜面光照时需要的一个额外变量，我们可以使用观察者的世界空间位置和片段的位置来计算它。之后我们计算出镜面光照强度，用它乘以光源的颜色，并将它与环境光照和漫反射光照部分加和。
要得到观察者的世界空间坐标，我们直接使用摄像机的位置向量即可（它当然就是那个观察者）。那么让我们把另一个uniform添加到片段着色器中，并把摄像机的位置向量传给着色器：
uniform vec3 viewPos;
lightingShader.setVec3("viewPos", camera.Position);
现在我们已经获得所有需要的变量，可以计算高光强度了。首先，我们定义一个镜面强度(Specular Intensity)变量，给镜面高光一个中等亮度颜色，让它不要产生过度的影响。
float specularStrength = 0.5;
如果我们把它设置为1.0f，我们会得到一个非常亮的镜面光分量，这对于一个珊瑚色的立方体来说有点太多了。下一节教程中我们会讨论如何合理设置这些光照强度，以及它们是如何影响物体的。下一步，我们计算视线方向向量，和对应的沿着法线轴的反射向量：
vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
需要注意的是我们对lightDir向量进行了取反。reflect函数要求第一个向量是从光源指向片段位置的向量，但是lightDir当前正好相反，是从片段指向光源（由先前我们计算lightDir向量时，减法的顺序决定）。为了保证我们得到正确的reflect向量，我们通过对lightDir向量取反来获得相反的方向。第二个参数要求是一个法向量，所以我们提供的是已标准化的norm向量。
剩下要做的是计算镜面分量。下面的代码完成了这件事：
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);
vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor;
我们先计算视线方向与反射方向的点乘（并确保它不是负值），然后取它的32次幂。这个32是高光的反光度(Shininess)。一个物体的反光度越高，反射光的能力越强，散射得越少，高光点就会越小。在下面的图片里，你会看到不同反光度的视觉效果影响：
我们不希望镜面成分过于显眼，所以我们把指数保持为32。剩下的最后一件事情是把它加到环境光分量和漫反射分量里，再用结果乘以物体的颜色：
vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * objectColor;
FragColor = vec4(result, 1.0);
我们现在为冯氏光照计算了全部的光照分量。根据你的视角，你可以看到类似下面的画面：
代码
main.cpp
#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
#include <iostream>
#include <cmath>
#include "../shader.h"
#include "../stb_image.h"
#include "../camera.h"
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>
float vertices[] = {
-0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, -1.0f,
0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, -1.0f,
0.5f, 0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, -1.0f,
0.5f, 0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, -1.0f,
-0.5f, 0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, -1.0f,
-0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, -1.0f,
-0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,
0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,
0.5f, 0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,
0.5f, 0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,
-0.5f, 0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,
-0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,
-0.5f, 0.5f, 0.5f, -1.0f, 0.0f, 0.0f,
-0.5f, 0.5f, -0.5f, -1.0f, 0.0f, 0.0f,
-0.5f, -0.5f, -0.5f, -1.0f, 0.0f, 0.0f,
-0.5f, -0.5f, -0.5f, -1.0f, 0.0f, 0.0f,
-0.5f, -0.5f, 0.5f, -1.0f, 0.0f, 0.0f,
-0.5f, 0.5f, 0.5f, -1.0f, 0.0f, 0.0f,
0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
0.5f, 0.5f, -0.5f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
0.5f, -0.5f, -0.5f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
0.5f, -0.5f, -0.5f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
0.5f, -0.5f, 0.5f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
-0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, -1.0f, 0.0f,
0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, -1.0f, 0.0f,
0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.0f, -1.0f, 0.0f,
0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.0f, -1.0f, 0.0f,
-0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.0f, -1.0f, 0.0f,
-0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, -1.0f, 0.0f,
-0.5f, 0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
0.5f, 0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
0.5f, 0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
0.5f, 0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
-0.5f, 0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
-0.5f, 0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f
};
const unsigned int SCR_WIDTH = 800;
const unsigned int SCR_HEIGHT = 600;
// camera
Camera camera(glm::vec3(0.0f, 0.0f, 3.0f));
glm::vec3 lightPos(1.2f, 1.0f, 2.0f);
float ratio = 0.5;
void processInput(GLFWwindow* window);
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height);
void mouse_callback(GLFWwindow* window, double xpos, double ypos);
void scroll_callback(GLFWwindow* window, double xoffset, double yoffset);
float deltaTime = 0.0f; // 距离上一帧的时间间隔
float lastFrame = 0.0f; // 上一帧发生的时间
bool firstMouse = true;
float yaw = -90.0f;
float pitch = 0.0f;
float lastX = 800.0f / 2.0;
float lastY = 600.0 / 2.0;
float fov = 45.0f;
int main() {
glfwInit();
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);
#ifdef __APPLE__
glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);
#endif
GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(800, 600, "LearnOpenGL", NULL, NULL);
if (window == NULL) {
std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
glfwTerminate();
return -1;
}
//GLFW将窗口的上下文设置为当前线程的上下文
glfwMakeContextCurrent(window);
glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);
glfwSetCursorPosCallback(window, mouse_callback);
glfwSetScrollCallback(window, scroll_callback);
//GLAD
// glad: 加载所有OpenGL函数指针
if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress)) {
std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
return -1;
}
Shader ourShader("shaders/shader.vs","shaders/shader.fs");
Shader lightShader("shaders/shader.vs", "shaders/lightShader.fs");
//创建VBO和VAO对象，并赋予ID
unsigned int VBO, VAO;
glGenVertexArrays(1, &VAO);
glGenBuffers(1, &VBO);
//绑定VBO和VAO对象
glBindVertexArray(VAO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
//为当前绑定到target的缓冲区对象创建一个新的数据存储。
//如果data不是NULL，则使用来自此指针的数据初始化数据存储
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
//告知Shader如何解析缓冲里的属性值
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);
//开启VAO管理的第一个属性值
glEnableVertexAttribArray(0);
//告知Shader如何解析缓冲里的属性值
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));
//开启VAO管理的第一个属性值
glEnableVertexAttribArray(1);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glBindVertexArray(0);
stbi_set_flip_vertically_on_load(true);
unsigned int texture, texture1;
glGenTextures(1, &texture);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);
// 加载并生成纹理
int width, height, nrChannels;
unsigned char* data = stbi_load("../pics/container.jpg", &width, &height, &nrChannels, 0);
if (data)
{
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, 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);
//float borderColor[] = { 1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f };
//glTexParameterfv(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_BORDER_COLOR, borderColor);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
}
else
{
std::cout << "Failed to load texture" << std::endl;
}
stbi_image_free(data);
glGenTextures(1, &texture1);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1);
data = stbi_load("../pics/awesomeface.png", &width, &height, &nrChannels, 0);
if (data)
{
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGBA, 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);
}
else
{
std::cout << "Failed to load texture" << std::endl;
}
stbi_image_free(data);
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);
glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
ourShader.use();
ourShader.setInt("texture1", 0);
ourShader.setInt("texture2", 1);
// 渲染循环
while (!glfwWindowShouldClose(window)) {
processInput(window);
float currentFrame = glfwGetTime();
deltaTime = currentFrame - lastFrame;
lastFrame = currentFrame;
//glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f); //状态设置
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); //状态使用
ourShader.use();
glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f);
// pass projection matrix to shader (note that in this case it could change every frame)
glm::mat4 projection = glm::perspective(glm::radians(camera.Zoom), (float)SCR_WIDTH / (float)SCR_HEIGHT, 0.1f, 100.0f);
ourShader.setMat4("projection", projection);
// camera/view transformation
glm::mat4 view = camera.GetViewMatrix();
ourShader.setMat4("view", view);
ourShader.setFloat("ratio", ratio);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
// glfw: 交换缓冲区和轮询IO事件（按键按下/释放、鼠标移动等）
glBindVertexArray(VAO);
ourShader.setMat4("model", model);
ourShader.setVec3("objectColor", 1.0f, 0.5f, 0.31f);
ourShader.setVec3("lightColor", 1.0f, 1.0f, 1.0f);
ourShader.setVec3("lightPos", lightPos);
ourShader.setVec3("viewPos", camera.Position);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
lightShader.use();
model = glm::mat4(1.0f);
model = glm::translate(model, lightPos);
model = glm::scale(model, glm::vec3(0.2f));
lightShader.use();
lightShader.setMat4("model", model);
lightShader.setMat4("projection", projection);
lightShader.setMat4("view", view);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glfwSwapBuffers(window);
glfwPollEvents();
}
// glfw: 回收前面分配的GLFW先关资源.
glfwTerminate();
glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
glDeleteBuffers(1, &VBO);
glDeleteProgram(ourShader.ID);
return 0;
}
void processInput(GLFWwindow* window)
{
float cameraSpeed = 2.5f * deltaTime;
if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
glfwSetWindowShouldClose(window, true);
if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_W) == GLFW_PRESS)
camera.ProcessKeyboard(FORWARD, deltaTime);
if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_S) == GLFW_PRESS)
camera.ProcessKeyboard(BACKWARD, deltaTime);
if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_A) == GLFW_PRESS)
camera.ProcessKeyboard(LEFT, deltaTime);
if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_D) == GLFW_PRESS)
camera.ProcessKeyboard(RIGHT, deltaTime);
}
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height) {
glViewport(0, 0, width, height);
}
void mouse_callback(GLFWwindow* window, double xposIn, double yposIn)
{
float xpos = static_cast<float>(xposIn);
float ypos = static_cast<float>(yposIn);
if (firstMouse)
{
lastX = xpos;
lastY = ypos;
firstMouse = false;
}
float xoffset = xpos - lastX;
float yoffset = lastY - ypos; // reversed since y-coordinates go from bottom to top
lastX = xpos;
lastY = ypos;
camera.ProcessMouseMovement(xoffset, yoffset);
}
void scroll_callback(GLFWwindow* window, double xoffset, double yoffset) {
fov -= (float)yoffset;
if (fov < 1.0f) fov = 1.0f;
if (fov > 75.0f) fov = 75.0f;
}
shader.vs
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
out vec3 Normal;
out vec3 FragPos;
out vec3 lightPos;
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;
void main()
{
Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;
gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
FragPos = vec3(model * vec4(aPos,1.0));
}
shader.fs
#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 Normal;
in vec3 FragPos;
uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 objectColor;
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 viewPos;
void main()
{
// ambient
float ambientStrength = 0.1;
vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;
// diffuse
vec3 norm = normalize(Normal);
vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
vec3 diffuse = diff * lightColor;
// specular
float specularStrength = 0.5;
vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);
vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor;
vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * objectColor;
FragColor = vec4(result, 1.0);
}
lightShader.fs
#version 330 core
out vec4 FragColor;
void main() {
FragColor = vec4(1.0);
}
参考链接
