1.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
2.材质特性
- 泛射材质
- 漫反射材质
- 镜面反射材质
- 发射材质
3. 光照计算公式
环境光 = 光源的环境光颜色 * 物体的材质颜色
发射光 = 物体的反射材质颜色
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
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,平方线与法线夹角的cos值
shiniess : ⾼高光的反光度;
5.光照颜⾊ =(环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜⾯反射颜色)* 衰减因⼦
6.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
7.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
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((外环的聚光灯⻆度cos值 - 当前顶点的聚光灯⻆度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);
8.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
4.GLSL 光照计算
1.顶点着色器
#version 300 es
layout(location = 0) in vec3 position; //顶点
layout(location = 1) in vec3 normal; //法向量
layout(location = 2) in vec2 texCoord; //纹理坐标
uniform mat4 view; // 模型视图矩阵
uniform mat4 projection; // 投影矩阵
out vec3 outNormal; //法向量
out vec3 FragPo; //顶点在世界坐标位置
out vec2 outTexCoord;//纹理坐标
void main()
{
FragPo = position;
outNormal = normal;
outTexCoord = texCoord;
gl_Position = projection * view * vec4(position,1.0);
}
2.片元着色器
#version 300 es
precision mediump float;
out vec4 FragColor;
uniform vec3 lightColor; //光源颜色
uniform vec3 lightPo; //光源位置
uniform vec3 viewPo; //视角位置
uniform sampler2D Texture; //物体纹理
uniform sampler2D specularTexture; //镜面纹理
in vec2 outTexCoord; //纹理坐标
in vec3 outNormal; //顶点法向量
in vec3 FragPo; //顶点坐标
//点光源版本
void pointLight(){
float ambientStrength = 0.3; //环境因子
float specularStrength = 2.0; //镜面强度
float reflectance = 256.0; //反射率
float constantPara = 1.0f; //距离衰减常量
float linearPara = 0.09f; //线性衰减常量
float quadraticPara = 0.032f; //二次衰减常量
//环境光 = 环境因子 * 物体的材质颜色
vec3 ambient = ambientStrength * texture(Texture,outTexCoord).rgb;
//漫反射
vec3 norm = normalize(outNormal);
//当前顶点 至 光源的的单位向量
vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo);
//DiffuseFactor=光源与法线夹角 max(0,dot(N,L))
float diff = max(dot(norm,lightDir),0.0);
//漫反射光颜色计算 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫发射材质颜色 * DiffuseFactor
vec3 diffuse = diff * lightColor*texture(Texture,outTexCoord).rgb;
//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;
//衰减因子计算
float LFDistance = length(lightPo - FragPo);
//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)
float lightWeakPara = 1.0/(constantPara + linearPara * LFDistance + quadraticPara * (LFDistance*LFDistance));
//光照颜色 =(环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜面反射颜色)* 衰减因子
vec3 res = (ambient + diffuse + specular)*lightWeakPara;
//最终输出的颜色
FragColor = vec4(res,1.0);
}
// 平行光版本
void parallelLight(){
float ambientStrength = 0.3; //环境因子
float specularStrength = 2.0; //镜面强度
float reflectance = 256.0; //反射率
//平行光方向
//vec3 paraLightDir = normalize(vec3(-0.2,-1.0,-0.3));
vec3 paraLightDir =normalize(vec3(-1,-1,1));
//环境光 = 环境因子 * 物体的材质颜色
vec3 ambient = ambientStrength * texture(Texture,outTexCoord).rgb;
//漫反射
vec3 norm = normalize(outNormal);
//当前顶点至光源的的单位向量
vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo);
//DiffuseFactor=光源与paraLightDir 平行光夹角 max(0,dot(N,L))
float diff = max(dot(norm,paraLightDir),0.0);
//漫反射光颜色计算 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫发射材质颜色 * DiffuseFactor
vec3 diffuse = diff * lightColor * texture(Texture,outTexCoord).rgb;
//镜面反射
vec3 viewDir = normalize(viewPo - FragPo);
// reflect (genType I, genType N),返回反射向量 -paraLightDir平行光
vec3 reflectDir = reflect(-paraLightDir,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;
//距离衰减常量
float constantPara = 1.0f;
//线性衰减常量
float linearPara = 0.09f;
//二次衰减常量
float quadraticPara = 0.032f;
//衰减因子计算
float LFDistance = length(lightPo - FragPo);
//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)
float lightWeakPara = 1.0/(constantPara + linearPara * LFDistance + quadraticPara * (LFDistance*LFDistance));
//光照颜色 =(环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜面反射颜色)* 衰减因子
vec3 res = (ambient + diffuse + specular)*lightWeakPara;
//最终输出的颜色
FragColor = vec4(res,1.0);
}
//聚光版本
void Spotlight(){
float ambientStrength = 0.3; //环境因子
float specularStrength = 2.0; //镜面强度
float reflectance = 256.0; //反射率
//环境光 = 环境因子 * 物体的材质颜色
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
//DiffuseFactor=光源与paraLightDir lightDir夹角 max(0,dot(N,L))
float diff = max(dot(norm,lightDir),0.0); //光源与法线夹角
//漫反射光颜色计算 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫发射材质颜色 * DiffuseFactor
vec3 diffuse = diff * lightColor*texture(Texture,outTexCoord).rgb;
//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;
float constantPara = 1.0f; //距离衰减常量
float linearPara = 0.09f; //线性衰减常量
float quadraticPara = 0.032f; //二次衰减常量
//衰减因子计算
float LFDistance = length(lightPo - FragPo);
//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)
float lightWeakPara = 1.0/(constantPara + linearPara * LFDistance + quadraticPara * (LFDistance*LFDistance));
//聚光灯切角 (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)
float inCutOff = cos(radians(10.0f));
float outCutOff = cos(radians(15.0f));
vec3 spotDir = vec3(-1.2f,-1.0f,-2.0f);
//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- 内环聚光灯的角度的cos值),0,1)；
float theta = dot(lightDir,normalize(-spotDir));
//(外环的聚光灯角度cos值- 内环聚光灯的角度的cos值)
float epsilon = inCutOff - outCutOff;
//(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- 内环聚光灯的角度的cos值)
float intensity = clamp((theta - outCutOff)/epsilon,0.0,1.0);
vec3 res = (ambient + diffuse + specular)*intensity*lightWeakPara;
FragColor = vec4(res,1.0);
}
void DiffultLight(){
float ambientStrength = 0.3; //环境因子
//环境光 = 环境因子 * 物体的材质颜色
vec3 ambient = ambientStrength * texture(Texture,outTexCoord).rgb;
//光源方向
//vec3 paraLightDir =normalize(vec3(0,1,0));
//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
//DiffuseFactor=光源与paraLightDir lightDir夹角 max(0,dot(N,L))
float diff = max(dot(norm,lightDir),0.0); //光源与法线夹角
//漫反射光颜色计算 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫反射材质颜色 * DiffuseFactor
vec3 diffuse = diff * lightColor * texture(Texture,outTexCoord).rgb;
vec3 res = ambient + diffuse;
FragColor = vec4(res,1.0);
}
void main()
{
//聚光版本
//Spotlight();
//点光源版本
//pointLight();
//平行光版本
parallelLight();
// DiffultLight();
}
