OPenGL ES光照计算

作者: zhongxiaoyue | 来源:发表于2019-06-23 23:09 被阅读0次

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，这是以目前我们所拥有的处理能力无法模拟的。因此OpenGL的光照仅仅使用了简化的模型并基于对现实的估计来进行模拟，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个元素组成：环境(Ambient)、漫反射(Diffuse)和镜面(Specular)光照。这些光照元素看起来像下面这样：

环境光照(Ambient Lighting)：即使在黑暗的情况下，世界上也仍然有一些光亮(月亮、一个来自远处的光)，所以物体永远不会是完全黑暗的。我们使用环境光照来模拟这种情况，也就是无论如何永远都给物体一些颜色。
漫反射光照(Diffuse Lighting)：模拟一个发光物对物体的方向性影响(Directional Impact)。它是冯氏光照模型最显著的组成部分。面向光源的一面比其他面会更亮。
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，相比于物体的颜色更倾向于光的颜色。

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，而且无法分辨光的方向
3.漫反射光：光线来自某个方向，但是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：光线直射，反射率较高
2.漫反射材质：需要考虑光的入射角和反射角的
3.镜面反射材质：斑点
4.发射材质：物体本身就可以发光的材质

光照计算

1.环境光的计算
环境光是不来自任何特定方向的光，在整个场景中经典光照模型把它当成一个常量，组成一个合适的第一近似值来缩放场景中的光照部分。

环境光 = 光源的环境光颜色 * 物体的材质颜色

示例代码

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);
 }

2.发射光的计算
如果这个物体本身就是有颜色的，比如说夜明珠，那么这个时候这个光就是这个物体材质的颜色

发射颜色 = 物体的反射材质颜色

3.漫反射光的计算
漫反射光是散射在各个方向上的均匀的表面特定光源，漫反射光依赖于表面法线方向和光源方向来计算，但是没有包含视线方向，它同样依赖于表面的颜色。

环境光和漫反射光比较

漫反射颜色 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫发射材质颜色 * DiffuseFactor
其中N表示法向量，L表示光源，法向量N和光源L之间的夹角决定了光照射的面积。夹角越大照射面积越大。

漫反射光的计算

漫反射因⼦DiffuseFactor 是光线与顶点法线向量的点积
DiffuseFactor = max(0,dot(N,L))

漫反射因子

光线照射到物体表面，决定了物体表面的光照强度，光照强度是光本身强度和光线与物体表面法线夹角cos的乘积

屏幕快照 2019-06-23 22.36.33.png
结论:
有效的光照方向是与物体表面法线夹角在0~90度之间的

示例代码

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;        //传入当前顶点平面的法向量
void main()
{
    //确保法线为单位向量量
    vec3 norm = normalize(outNormal); //顶点指向光源 单位向量量
    vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo); //得到两向量量的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量
    vec3 diffuse = diff * lightColor;
    vec3 result  = diffuse * ojbectColor;
    gl_FragColor = vec4(result,1.0);
 }

4.镜面光计算
镜面光是由表面直接反射的高亮光，这个高亮光就像镜子一样跟表面材质多少有关。

N : 平⾯法线 R: 反射光线
å : 视点与反射光的夹⻆角
镜⾯面反射颜⾊色 = 光源的镜⾯面光的颜⾊色 * 物体的镜⾯面材质颜⾊色 * SpecularFactor
SpecularFactor = power(max(0,dot(N,H)),shininess)
H :视线向量E 与光线向量L 的半向量 dot(N,H):H,N的点积⼏几何意义,平方线与法线夹角的cos值.
shiniess : ⾼光的反光度.

发光值
一个物体的发光值越高，反射光的能力越强，散射得越少，高光点越小。在下面的图片里，你会看到不同发光值对视觉(效果)的影响：

发光值

示例代码

uniform vec3 viewPo;        //视角位置
uniform sampler2D specularTexture;  //镜面纹理
uniform vec3 lightPo;       //光源位置
uniform vec3 viewPo;        //视角位置
in vec2 outTexCoord;    //纹理坐标
in vec3 FragPo;         //顶点坐标
in vec3 outNormal;      //顶点法向量
void main()
{
    //镜⾯面强度
    float specularStrength = 0.5;
    //反射率
    float reflectance = 256.0;     
    //当前顶点 至 光源的的单位向量
    vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo);
    //镜面反射
    vec3 viewDir = normalize(viewPo - FragPo);
    // reflect (genType I, genType N),返回反射向量
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir,outNormal);
    //SpecularFactor = power(max(0,dot(N,H)),shininess)
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir),0.0),reflectance);
    //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
    vec3 specular = specularStrength * spec * texture(specularTexture,outTexCoord).rgb;
 }

5.衰减因子
注意
环境光，漫反射光和镜⾯光的强度都会受距离的增大而衰减，只有发射光和全局环境光的强度不会受影响

光照颜色 =(环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜⾯反射颜色)* 衰减因子
衰减因子 = 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)

衰减因子计算公式

示例代码

//距离衰减常量量
float constantPara = 1.0f;
//线性衰减常量量
float linearPara = 0.09f;
//⼆二次衰减因⼦子
float quadraticPara = 0.032f;
//距离
float LFDistance = length(lightPo - FragPo);
//衰减因⼦子
float lightWeakPara = 1.0/(constantPara + linearPara
* LFDistance + quadraticPara * (LFDistance*LFDistance));

6.聚光灯因子

聚光灯夹角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

增加过渡计算

聚光灯因子 = clamp((外环的聚光灯角度cos值 - 当前顶点的聚光灯⻆度cos值)/ (外环的聚光灯⻆度cos值- 内环聚光灯的角度的cos值),0,1);

示例代码

//距离衰减常量
//(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)
//内锥角cos值
float inCutOff = cos(radians(10.0f)); //外锥⻆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的⻆度⼩于内锥角 则其值 >=1 若theta的角度⼤于外锥角 则其值<=0 这样光线就在内外锥角之间平滑变化.
float intensity = clamp((theta - outCutOff)/epsilon, 
0.0,1.0);

7.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 + 镜⾯面反射颜色) * 聚光灯效果 * 衰减因⼦

一.平面光终极公式示例代码

平面光

示例代码

//环境因⼦子
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);

二.点光源终极公式示例代码

点光源

示例代码

float ambientStrength = 0.3;
float specularStrength = 2.0;
float reflectance = 256.0;
float constantPara = 1.0f;
float linearPara = 0.09f;
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); //当前顶点至光源的单位向量
//点光源
float diff = max(dot(norm ,lightDir),0.0); //光源与法线夹角
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);

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