OpenGL ES--关于光照计算

光照基础

1. 环境光照
2. 漫反射光照
3. 镜面光照

• image.png

光照特性

1. 发射光:由物体自身发光。
2. 环境光:就是在环境中充分散射的光，而且无法分辨它的方向。
3. 漫反射光:光线来自某个方向，但在物体上各个方向反射。
4. 镜面高光:光线来自一个特定的方向，然后在物体表面上以一个特定的方向反射出去。

材质属性

1. 泛射材质
2. 漫反射材质
3. 镜面反射材质
4. 发射材质

光照计算

• 环境光计算
  环境光 = 光源的环境光颜色 * 物体的材质颜色

varying vec3 objectColor;
void main()
{
//⾄至少有%10的光找到物体所有⾯面
     float ambientStrength = 0.1;
//环境光颜⾊色
vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;
//最终颜⾊色 = 环境光颜⾊色 * 物体颜⾊色
vec3 result = ambient * objectColor;
     gl_FragColor = vec4(result, 1.0);
 }

• 发射光计算
  发射颜色 = 物体的反射材质颜色
• 漫反射光计算
  漫反射颜色 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫发射材质颜色 * DiffuseFactor
  DiffuseFactor = max(0,dot(N,L))
  漫反射因子DiffuseFactor 是光线与顶点法线向量的点积。
• image.png

uniform vec3 lightColor;    //光源色
   uniform vec3 lightPo;      //光源位置
   uniform vec3 objectColor;   //物体色
   uniform vec3 viewPo;          //物体位置
   varying vec3 outNormal;    //传入当前顶点平面法向量
//确保法线为单位向量
vec3 norm = normalize(outNormal); //顶点指向光源单位向量
vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo); //得到两向量的cos值 ⼩小于0则则为0
float diff = max(dot(norm, lightDir),0.0); //得到漫反射收的光源向量
vec3 diffuse = diff * lightColor;
vec3 result  = diffuse * ojbectColor;
gl_FragColor = vec4(result,1.0);

• 镜面光计算

  
  image.png

  N : 平面法线
  I : ⼊射光线
  H : 反射光线
  E : 视线
  å : 视点与反射光的夹角

镜⾯反射颜色= = 光源的镜面光的颜色 * 物体的镜面材质颜⾊ * SpecularFactor
H :视线向量E与光线向量L的半向量
dot(N,H):H,N的点积几何意义,平方线与法线夹⻆的cos值 shiniess : ⾼光的反光度;

//镜面强度
float specularStrength = 0.5;
//顶点指向观察点的单位向量
vec3 viewDir = normalize(viewPo - FragPo);
//求得光线 在 顶点的反射线(传⼊入光源指向顶点的向量)
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir ,outNormal);
// 求得夹角cos值 取256次幂 注意 pow(float,float)函数参数类型 float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir),0.0),256.0);
    vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor;

• 衰减因子
  image.png 衰减因⼦子 = 1.0/(距离衰减常量 + 线性衰减常量 * 距离 + ⼆次衰减常量 * 距离的平⽅)，离衰减常量,线性衰减常量和⼆次衰减常量均为常量值。环境光，漫反射光和镜⾯光的强度都会受距离的增⼤大⽽衰减，只有发射光和全局环境光的强度不会受影响。

//距离衰减常量
float constantPara = 1.0f;
//线性衰减常量
float linearPara = 0.09f;
//⼆次衰减因⼦
float quadraticPara = 0.032f;
//距离
float LFDistance = length(lightPo - FragPo);
//衰减因⼦
float lightWeakPara = 1.0/(constantPara + linearPara
* LFDistance + quadraticPara * (LFDistance*LFDistance));

• 聚光灯因子
  聚光灯夹⻆cos值 = power(max(0,dot(单位光源位置，单位光线向量)),聚光灯指数);

单位光线向量是从光源指向顶点的单位向量
聚光灯指数，表示聚光灯的亮度程度
公式解读:单位光源位置 * 单位光线向量 点积 的 聚光灯指数次⽅。
聚光灯无过渡 与 有过渡处理

image.png 增加过渡计算
聚光灯因子 = clamp((外环的聚光灯角度cos值 - 当前顶点的聚光灯角度cos值)/ (外环的聚光灯角度cos值- 内环聚光灯的⻆度的cos值),0,1); image.png

聚光灯过渡计算
//(一些复杂的计算操作 应该让CPU做,提高效率,不变的量也建议外部传输,避免重复计算)
//内锥⻆cos值
float inCutOff = cos(radians(10.0f)); //外锥角cos值
float outCutOff = cos(radians(15.0f)); //聚光朝向
 vec3 spotDir = vec3(-1.2f,-1.0f,-2.0f);
//光源指向物体的向量 和 聚光朝向的 cos值
float theta = dot(lightDir ,normalize(-spotDir)); //内外锥角cos差值
float epsilon = inCutOff - outCutOff;
//clamp(a,b,c);若b<a<c 则函数返回值为a 若不是,则返回值最⼩为b 最大为c
// (theta - outCutOff)/epsilon 若theta的角度⼩小于内锥角 则其值 >=1 若theta的角度⼤于外锥⻆ 则其值<=0 这样光线就在内外锥⻆之间平滑变化
float intensity = clamp((theta -outCutOff)/epsilon,0.0,1.0);

• 光照计算终极公式
  光照颜色 = 发射颜⾊ + 全局环境颜色 + (环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜⾯反射颜色) * 聚光灯效果 * 衰减因⼦
• 平面光计算

//环境因⼦
float ambientStrength = 0.3; //镜⾯强度
float specularStrength = 2.0; //反射强度
 float reflectance = 256.0;
//平行光方向
vec3 paraLightDir = normalize(vec3(-0.2,-1.0,-0.3));
//环境光
vec3 ambient = ambientStrength * texture(Texture ,outTexCoord).rgb;
//漫反射
vec3 norm = normalize(outNormal);
vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo); //当前顶点至光源的的单位向量 float diff = max(dot(norm ,paraLightDir),0.0);
vec3 diffuse = diff * lightColor*texture(Texture ,outTexCoord).rgb;
//镜⾯反射
vec3 viewDir = normalize(viewPo - FragPo);
vec3 reflectDir = reflect(-paraLightDir ,outNormal);
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir),0.0),reflectance);
vec3 specular = specularStrength * spec * texture(specularTexture ,outTexCoord).rgb;
//最终光照颜⾊
vec3 res = ambient + diffuse + specular;
FragColor = vec4(res,1.0);

• 点光源计算

float ambientStrength = 0.3;  //环境因子
float specularStrength = 2.0;   //镜面强度
float reflectance = 256.0;  //反射强度
float constantPara = 1.0f;  //常亮
float linearPara = 0.09f;  //线性部分因数
float quadraticPara = 0.032f; //二次项部分因数
//环境光
vec3 ambient = ambientStrength * texture(Texture ,outTexCoord).rgb;
//漫反射
vec3 norm = normalize(outNormal);
vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo); //当前顶点至光源的的单位向量
//点光源
float diff = max(dot(norm ,lightDir),0.0); //光源与法线夹⻆角
vec3 diffuse = diff * lightColor*texture(Texture ,outTexCoord).rgb;
//镜⾯反射
vec3 viewDir = normalize(viewPo - FragPo);
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir ,outNormal);
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir),0.0),reflectance);
vec3 specular = specularStrength * spec * texture(specularTexture ,outTexCoord).rgb;
//光线衰弱
float LFDistance = length(lightPo - FragPo);
float lightWeakPara = 1.0/(constantPara + linearPara * LFDistance + quadraticPara * (LFDistance*LFDistance));
vec3 res = (ambient + diffuse + specular)*lightWeakPara; 
FragColor = vec4(res,1.0);