webgl 22.为正方体添加光照

下面来看一下光照
先来看一下光源的类型

light source.png

光源大体可分为 Directional light (平行光)，Point light (点光源)，Ambient light (环境光) 3 种。

Directional light

平行光的光线是平行的，像太阳光就是平行光。平行光可用光线的方向和颜色来描述。

Point light

点光源从一个点向各个方向发出光线，像电灯泡就是点光源。点光源用它的位置和颜色描述，点光源的方向跟照射到物体的位置有关，而平行光只有一个方向。现实世界中光线是会衰弱的，离光源越近光线越强，这里为了简单不考虑光线的衰弱。

Ambient light

环境光是被其它物体反射的光，环境光从各个方向照射到物体。环境光没有方向，只用光的颜色就可以描述。

Diffuse Reflection (漫反射)

diffuse reflection.png

漫反射是点光源或平行光照射到物体上，然后光线向各个方向进行散射。

Diffuse Reflection 的光照效果可用下面的公式计算

 <surface color by diffuse reflection>  = <light color>  ×  <base color of  surface>  × cosθ

即 <漫反射效果> = <光源颜色> × <物体表面颜色> × cosθ
注意这里是叉乘，向量的叉乘还是向量

Ambient Reflection (环境反射)

ambient reflection.png

环境反射中光线从各个方向射向物体然后再原路返回。

Ambient Reflection 的光照效果可用下面的公式计算

<surface color by ambient reflection>  =  <light color>  ×  <base color of  surface> 

即 <环境反射效果> = <光源颜色> × <物体表面颜色>

漫反射和环境反射叠加在一起可用下面的公式计算

<漫反射 + 环境反射> = <漫反射效果> + <环境反射效果>

漫反射公式中的 θ 不大好计算，但物体表面的 Normal (法向量) 是已知的，通过法向量和光线方向可以很容易的计算出 cosθ

calc θ.png

如上图 <Normal> * <Light Direction> = |<Normal>| * |Light Direction| * cosθ
所以 cosθ = (<Normal> * <Light Direction>) / (|<Normal>| * |Light Direction|)
当把法向量和光线方向正规化(把长度变为 1 ) 之后
cosθ = <Normalized Normal> * <Normalized Light Direction>

注意这里是点乘，向量的点乘得到的是一个数字。

向量的点乘得到的是一个数，向量的叉乘得到的是向量。点乘和叉乘一定要搞清楚，不清楚的多查查资料。

一个面有 2 个方向相反的法向量，正方向根据顶点环绕方向根据右手定则判定。

Normals.png

右手四指绕顶点顺序环绕，大拇指的方向就是法向量的正方向

cosθ 计算出来以后漫反射就很好计算了，还是用上一节的正方体作为例子。

cube normals.png

每个面添加法向量信息

  var vertices = new Float32Array([
      1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0,  // v0-v1-v2-v3 front
      1.0, 1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0,  // v0-v3-v4-v5 right
      1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0,  // v0-v5-v6-v1 up
      -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, 1.0,  // v1-v6-v7-v2 left
      -1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0,  // v7-v4-v3-v2 down
      1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0   // v4-v7-v6-v5 back
  ]);

  var colors = new Float32Array([    // Colors
      1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0,     // v0-v1-v2-v3 front
      1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0,     // v0-v3-v4-v5 right
      1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0,     // v0-v5-v6-v1 up
      1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0,     // v1-v6-v7-v2 left
      1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0,     // v7-v4-v3-v2 down
      1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0　    // v4-v7-v6-v5 back
  ]);

  var normals = new Float32Array([    // Normal
      0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0,  // v0-v1-v2-v3 front
      1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0,  // v0-v3-v4-v5 right
      0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0,  // v0-v5-v6-v1 up
      -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0,  // v1-v6-v7-v2 left
      0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0,  // v7-v4-v3-v2 down
      0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0   // v4-v7-v6-v5 back
  ]);

<script id="vertex-shader" type="glsl">
    attribute vec4 a_Position;
    attribute vec4 a_Color;
    attribute vec3 a_Normal;
    uniform vec3 u_LightColor;
    uniform vec3 u_LightDirection;
    uniform mat4 u_mvpMatrix;
    varying vec4 v_Color;

    void main() {
        gl_Position = u_mvpMatrix * a_Position;
        // 标准化（把长度变为 1 ）
        vec3 normal = normalize(a_Normal);
       // 如果角度大于 90 度 说明物体表面背对光线将 cosθ 设为 0 
        float nDotL = max(dot(u_LightDirection, normal), 0.0);
        vec3 diffuse = u_LightColor * a_Color.rgb * nDotL;
        v_Color = vec4(diffuse, a_Color.a);
    }
</script>

normalize 内置函数，标准化一个向量（长度变为 1）
dot 内置函数，计算向量的点乘

// 设置光源颜色
gl.uniform3f(u_LightColor, 1.0, 1.0, 1.0);
// 设置光源方向
var lightDirection = new Vector3([0.5, 3.0, 4.0]);
lightDirection.normalize(); // 标准化（长度变为 1）
gl.uniform3fv(u_LightDirection, lightDirection.elements);

lighted cube.png

完整代码

<script id="vertex-shader" type="glsl">
    attribute vec4 a_Position;
    attribute vec4 a_Color;
    attribute vec3 a_Normal;
    uniform vec3 u_LightColor;
    uniform vec3 u_LightDirection;
    uniform mat4 u_mvpMatrix;
    varying vec4 v_Color;

    void main() {
        gl_Position = u_mvpMatrix * a_Position;
        // 标准化（把长度变为 1 ）
        vec3 normal = normalize(a_Normal);
        float nDotL = max(dot(u_LightDirection, normal), 0.0);
        vec3 diffuse = u_LightColor * a_Color.rgb * nDotL;
        v_Color = vec4(diffuse, a_Color.a);
    }
</script>

<script id="fragment-shader" type="glsl">
    precision mediump float;
    varying vec4 v_Color;
    void main() {
       gl_FragColor = v_Color;
    }
</script>

<script src="lib/cuon-matrix.js"></script>
<script src="lib/myutils.js"></script>

<script>
    var VERTEX_SHADER_SOURCE = document.getElementById('vertex-shader').text;
    var FRAGMENT_SHADER_SOURCE = document.getElementById('fragment-shader').text;

    var canvas = document.getElementById("canvas");
    var gl = canvas.getContext('webgl');

    if (!initShaders(gl, VERTEX_SHADER_SOURCE, FRAGMENT_SHADER_SOURCE)) {
        alert('Failed to init shaders');
    }

    var n = initVertexBuffers(gl);

    var u_mvpMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_mvpMatrix');
    var u_LightColor = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_LightColor');
    var u_LightDirection = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_LightDirection');

    // 设置光源颜色
    gl.uniform3f(u_LightColor, 1.0, 1.0, 1.0);
    // 设置光源方向
    var lightDirection = new Vector3([0.5, 3.0, 4.0]);
    lightDirection.normalize(); // 标准化（长度变为 1）
    gl.uniform3fv(u_LightDirection, lightDirection.elements);

    // <projection matrix> * <view matrix>
    var mvpMatrix = new Matrix4();
    mvpMatrix.setPerspective(30, 1, 1, 100);
    mvpMatrix.lookAt(3, 3, 7, 0, 0, 0, 0, 1, 0);
    gl.uniformMatrix4fv(u_mvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);

    gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
    gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_BYTE, 0);

    function initVertexBuffers(gl) {
        // Create a cube
        //    v6----- v5
        //   /|      /|
        //  v1------v0|
        //  | |     | |
        //  | |v7---|-|v4
        //  |/      |/
        //  v2------v3

        var vertices = new Float32Array([
            1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0,  // v0-v1-v2-v3 front
            1.0, 1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0,  // v0-v3-v4-v5 right
            1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0,  // v0-v5-v6-v1 up
            -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, 1.0,  // v1-v6-v7-v2 left
            -1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0,  // v7-v4-v3-v2 down
            1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0   // v4-v7-v6-v5 back
        ]);

        var colors = new Float32Array([    // Colors
            1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0,     // v0-v1-v2-v3 front
            1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0,     // v0-v3-v4-v5 right
            1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0,     // v0-v5-v6-v1 up
            1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0,     // v1-v6-v7-v2 left
            1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0,     // v7-v4-v3-v2 down
            1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0　    // v4-v7-v6-v5 back
        ]);

        var normals = new Float32Array([    // Normal
            0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0,  // v0-v1-v2-v3 front
            1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0,  // v0-v3-v4-v5 right
            0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0,  // v0-v5-v6-v1 up
            -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0,  // v1-v6-v7-v2 left
            0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0,  // v7-v4-v3-v2 down
            0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0   // v4-v7-v6-v5 back
        ]);

        var indices = new Uint8Array([       // Indices of the vertices
            0, 1, 2, 0, 2, 3,    // front
            4, 5, 6, 4, 6, 7,    // right
            8, 9, 10, 8, 10, 11,    // up
            12, 13, 14, 12, 14, 15,    // left
            16, 17, 18, 16, 18, 19,    // down
            20, 21, 22, 20, 22, 23     // back
        ]);

        if (!initArrayBuffer(gl, vertices, 3, gl.FLOAT, 'a_Position')) {
            return -1;
        }
        if (!initArrayBuffer(gl, colors, 3, gl.FLOAT, 'a_Color')) {
            return -1;
        }
        if (!initArrayBuffer(gl, normals, 3, gl.FLOAT, 'a_Normal')) {
            return -1;
        }

        var indexBuffer = gl.createBuffer();
        if (!indexBuffer) {
            console.log('Failed to create index buffer');
            return -1;
        }
        gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
        gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);

        return indices.length;
    }

    function initArrayBuffer(gl, data, numOfComponents, dataType, attributeName) {
        var buffer = gl.createBuffer();
        if (!buffer) {
            console.log('Failed to create buffer object');
            return false;
        }

        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);

        var attribute = gl.getAttribLocation(gl.program, attributeName);
        gl.vertexAttribPointer(attribute, numOfComponents, dataType, false, 0, 0);
        gl.enableVertexAttribArray(attribute);

        return true;
    }
</script>

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