OpenGL ES光照计算

光照是OpenGL ES里很重要的一部分，下面我们来学习总结一下如何计算不同的光照效果。

光照计算.png

• 光照基础
  1､环境光照
  2､漫反射光照
  3､镜面光照

• 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

• 单一光照计算
  1､环境光的计算

  环境光 = 光源的环境光颜色*物体的材质颜色
  

  GLSL实现:

  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

  发射光 = 物体的反射材质颜色    
  

  3､漫反射光的计算

  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
  

  GLSL实现:

  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
  //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 ⼩于0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);
  

  4､镜面光的计算

  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E与光线向量L的半向量
  dot(N,H):H,N的点积几何意义,反射光线与法线夹角的cos值
  shiniess : 高光的反光度
  

  GLSL实现

  //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;
  

• 综合光照计算

  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)
  距离衰减常量、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而衰减，只有发射光和全局环境光的强度不会受影响

  1)衰减因子计算

  //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));
  

  2)聚光灯因子计算

  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)/ (外环的聚光灯⻆度cos值- 内环聚光灯的⻆度的cos值),0,1)
  

  计算代码

  //内锥角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的角度小于内锥角则其值 >=1 若theta的⻆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);
  

• 综合光照计算终极公式

  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GLSL实现

  //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GLSL实现

  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);