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光源

  在现实生活中，有很多不同种类的光，它们有不同的表现形式。这里我们讨论点光源、平行光和聚光灯。

平行光

  当光源从很远的位置发出光时，这些光线可以近似看作相互平行，都有同一个传递方向，最典型的例子就是太阳光：

  由于光线相互平行，所以光源的位置并不重要，我们只需关心它的方向和光的参数。我们可以在片元着色器中这样定义一个平行光光源：

struce Light
{
  vec3 direction;
  vec3 ambient;
  vec3 diffuse;
  vec3 specular;
};
...
void main()
{
  vec3 lightDir = normalize(-light.direction);
}

  我们定义的平行光的方向符合常识，指向要照亮的物体，但为了方便计算，我们需要光的方向从物体指向光源。那么接下来的工作就和之前一致，分别计算对环境光、漫反射光、高光的值。为了方便观察，我们将绘制10个不同状态的立方体来观察平行光的影响。
  首先定义十个立方体的位置：

glm::vec3 cubePositions[] = {
    glm::vec3( 0.0f,  0.0f,  0.0f),
    glm::vec3( 2.0f,  5.0f, -15.0f),
    glm::vec3(-1.5f, -2.2f, -2.5f),
    glm::vec3(-3.8f, -2.0f, -12.3f),
    glm::vec3( 2.4f, -0.4f, -3.5f),
    glm::vec3(-1.7f,  3.0f, -7.5f),
    glm::vec3( 1.3f, -2.0f, -2.5f),
    glm::vec3( 1.5f,  2.0f, -2.5f),
    glm::vec3( 1.5f,  0.2f, -1.5f),
    glm::vec3(-1.3f,  1.0f, -1.5f)
};

  在一个循环中让每个立方体都转一下：

for(unsigned int i = 0; i < 10; i++)
{
    glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f);
    model = glm::translate(model, cubePositions[i]);
    float angle = 20.0f * i;
    model = glm::rotate(model, glm::radians(angle), glm::vec3(1.0f, 0.3f, 0.5f));
    lightingShader.setMat4("model", model);

    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
}

  当然，还要设置平行光的方向：

lightingShader.setVec3("light.direction", -0.2f, -1.0f, -0.3f); //光源指向下方

  注意到这里并没有定义平行光方向向量的w组件，其实也可以定义，但这里我们关心的是平行光的方向，我们不想让它受平移变换的影响，所以可以设w组件为0.0；如果我们更加关心光源的位置，我们就可以将w组件设为1.0：

if(lightVector.w == 0.0) // note: be careful for floating point errors
  // 进行平行光计算
else if(lightVector.w == 1.0)
  // 进行光源计算(利用光源的位置)

  运行程序，结果如下：

点光源

  许多的点光源可以为场景营造更多的细节。一个点光源向四周散发出光，同时光会随距离衰减：

  在之前我们已经模拟过一个没有衰减的点光源，这里来为它加上衰减。

衰减

  仔细观察可以发现，光的衰减并不符合线性变化，往往在某段距离衰减很慢，之后又会很快，所以我们不能简单的用线性变化方式去模拟，这里给出一个比较好的模拟公式：

• 常数项永远置为1来确保公式的分母不会大于1即衰减系数不会大于1。
• 线性项让衰减呈线性变化。

• 二次项让衰减在距离较短时影响小于线性项，在距离较远时影响高于线性项。
    公式的衰减大致呈如下分布：

  
  
  
  

    下面是为了模拟真实情况的在不同离散距离的不同系数取值：

  
  
  
    在这里我们选用距离为32到100的系数值。
    根据上面的知识，我们就可以这样定义一个点光源的结构体：

struct Light
{
  vec3 position;
  
  vec3 ambient;
  vec3 diffuse;
  vec3 specular;

  float constant;   //常量
  float linear;  //一次项
  float quadratic; //二次项
};

  这里我们让衰减的范围为50，并设置相关系数：

lightingShader.setFloat("light.constant",  1.0f);
lightingShader.setFloat("light.linear",    0.09f);
lightingShader.setFloat("light.quadratic", 0.032f); 

  接下来需要知道片段到光源的距离，这里使用内建的length函数，之后通过上面的衰减公式计算衰减系数：

float distance    = length(light.position - FragPos);
float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * (distance * distance));    

  同样，在计算环境光、漫反射、高光之后我们分别乘以衰减系数：

ambient  *= attenuation; 
diffuse  *= attenuation;
specular *= attenuation;  

  运行程序就可以得到这样的结果：

聚光灯

• LightDir是一个由片段指向光源的向量。
• SpotDir是聚光灯的方向。
• 是切割角度。
• 是LightDir和SpotDir的夹角。
    接下来的例子我们将在摄像机的位置创建一个聚光灯。
    我们根据聚光灯的特性创建结构体：

struct Light
{
  vec3 position;
  vec3 direction;
  
  vec3 ambient;
  vec3 diffuse;
  vec3 specular;

  float cutOff;
};

  接着我们赋值，由于计算角度比较麻烦，开销较大，我们将比较余弦值：

lightingShader.setVec3("light.position",  camera.Position);
lightingShader.setVec3("light.direction", camera.Front);
lightingShader.setFloat("light.cutOff",   glm::cos(glm::radians(12.5f)));

  接着我们计算要比较的的余弦值，并进行比较：

float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
    
if(theta > light.cutOff) //在0-90度范围内，余弦值越大，角度越小
{       
  // 进行灯光计算
}
else  // 为聚光灯范围之外的区域赋予环境光的颜色
  color = vec4(light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)), 1.0);

  运行结果如下：

struct Light
{
  vec3 position;
  vec3 direction;
  
  vec3 ambient;
  vec3 diffuse;
  vec3 specular;

  float cutOff;
  float outerCutOff;
};

  接着计算和，并为漫反射和高光添加系数的影响：

float theta     = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
float epsilon   = light.cutOff - light.outerCutOff;
float intensity = clamp((theta - light.outerCutOff) / epsilon, 0.0, 1.0);    
...
// 我们将环境光保持不变
diffuse  *= intensity;
specular *= intensity;
...

  注意我们对光强的计算使用了clamp函数来保证结果不会超出[0,1]的范围。
  我们将内切割角设为12.5度，外切割角设为17.5度，结果如下：