OpenGL/OpenGL ES (九) —— 光照

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OpenGL/OpenGL ES (九) —— 光照

前言

主要的学习目标是光照的基本概念，光照的种类，光的种类，材质的种类，光照的计算。

光照基础

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：

基本光照.png

• 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。

光照特性

• 发射光:由物体自身发光
• 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
• 漫反射光:光线来自某个方向，但在物体上各个方向反射。
• 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 = 光源的环境光颜色 * 物体的材质颜⾊
计算的伪代码如下

光(R,G,B) x 材质(R',G',B') = (RxR', GxG', BxB')

发射光的计算

发射颜色 = 物体的反射材质颜⾊

光照比较

光照比较.png

漫反射光照计算

漫反射光照计算.png

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。
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。

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))

漫反射因⼦子DiffuseFactor 是光线 与顶点法线向量量的点积。

漫反射光照计算2.png

镜面光照计算

平面光照计算.png

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
SpecularFactor = power(max(0,dot(N,H)),shininess)

H :视线向量量E 与 光线向量量L 的半向量量 dot(N,H):H,N的点积⼏几何意义,平⽅方线与法线夹⻆角的cos值 shiniess : ⾼高光的反光度;

光照颜色.png

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

  
  衰减因子计算公式.png

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)

距离衰减常量、线性衰减常量、二次衰减常量均为常量值。

注意：环境光、漫反射光、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。

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

聚光灯无过渡与有过渡处理.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)/ (外环的聚光灯⻆角度cos值- 内环聚光灯的角度的cos值),0,1);

增加过渡计算.png

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

平面光终极公式

平面光终极公式.png

点光源终极公式

点光源终极公式.png