光照是个很复杂的话题，尤其是多光源，阴影的计算。在这篇文章中，我会详细介绍不同类型光的性质以及物体的材质属性，以及光照计算的过程。这些都是光照的基石，掌握了这些才有可能继续攀登高峰。

光照的基本概念

运行 OpenGL 程序在屏幕上显示的最终颜色，受场景中光线的特性以及物体反射和吸收光的属性（即材质）影响。光线可能来自特定的位置与方向，也可能是散布在整个场景中（环境光）；而物体表面能够吸收，反射光线，有些物体本身还能够发射光线，物体的这些属性被称为材质。在 OpenGL 中，物体的材质属性通过反射不同方向的环境光，漫反射光，镜面光的RGB颜色来表示的。光照计算就是将发射光，泛射光，漫反射光以及镜面高光四个成分分别计算，然后再累加起来。

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散的光，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

物体的材质属性取决于物体反射的红绿蓝光的比例。与光源的特性相似，材质也分为泛射材质，漫反射材质，镜面材质和反射材质，分别表示反射相应类型光的反射率。

• 泛射材质：环境光的反射率影响物体的整体颜色，因为直射到物体上的漫反射光最亮，而没有被直射的物体的环境反射光最明显。一个物体的泛射光反射率受全局环境光和来自光源的环境光的双重影响。泛射光的反射率不受观察点点位置的影响。
• 漫反射材质：射的反射率对物体的颜色起着最重要的作用，它受入射的漫反射光颜色以及入射光与法线的夹角的影响，而不受观察点位置的影响。
• 镜面反射材质：表面较为光洁的物体由于反射光线而会产生亮斑（看起来有光泽），在这种亮斑被称为镜面反射光。在 OpenGL 中物体对光的镜面反射材质属性决定了光泽的颜色、大小和亮度。镜面反射光的强度还取决于观察点的位置，当观察点正好处于入射光的反射光线上，亮斑的亮度到达最大值。
• 发射材质：前面提到的三种材质都是被动地反射来自外界的光线，而有些物体本身可以发射光。在 OpenGL 中是通过给物体设置发射材质颜色来模拟的，物体表面的发射颜色可以增加物体的强度，但不受任何光源的影响。此外，在整个场景中，发射光并没有被当作一种额外的光照。

光照的计算

前面提到，光照效果是由发射光，环境光，漫反射光以及镜面高光四部分组成，这四部分各自独立计算，然后再累加起来得到最终的光照效果。下面就来详细介绍这些组成部分是如何计算的。

环境光的计算

环境光颜色 = 光源的环境光颜色 * 物体的材质颜色

环境光的GLSL实现：

varying vec3 objectColor;

void main() {
    // 至少有10%的光找到物体所有面
    float ambientStrength = 0.1;
    
    // 环境光颜色
    vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;
    
    // 最终颜色 = 环境光颜色 * 物体颜色
    vec3 result = ambient * objectColor;
    gl_FragColor = vec4(result, 1.0);
}

发射光的计算

发射颜色 = 物体的反射材质颜色

漫反射光计算

image

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 * 物体的漫反射材质颜色 * DiffuseFactor
DiffuseFactor = max(0, dot(N, L))

慢反射光的GLSL实现：

uniform vec3 lightColor; // 光源色
uniform vec3 lightPo; // 光源位置
uniform vec3 objectColor; // 物体颜色
uniform vec3 viewPo; // 物体位置
varying vec3 outNormal; // 传入到当前顶点平面的法向量

void main() {
    
    // 确保法线为单位向量
    vec3 normal = normalize(outNormal);
    // 顶点指向光源，单位向量
    vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo);
    // 得到2向量的cos值，小于0则为0
    float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    // 得到漫反射的光源向量
    vec3 diffuse = diff * lightColor;
    
    vec3 result = diffuse * objectColor;
    gl_FragColor = vec4(result, 1.0);
}

镜面光的计算

镜面光强度与视点位置相关

N：平面法线
I：入射光线
H：反射管线
E：视线
å：视点与反射光的夹角

镜面光计算公式：

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
shininess：高光的反光度

镜面光的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);
// 求得夹⻆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;

光照的计算

光照的计算公式：

光照颜色 = (环境光颜色 + 漫反射光颜色 + 镜面反射颜色) * 衰减因子

衰减因子

公式

即为：

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)

注意：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。

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));

聚光灯因子

公式

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

增加过渡计算

聚光灯因⼦ = clamp((外环的聚光灯⻆度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);

聚光灯过渡计算

//(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)
//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的⻆度⼩于内锥⻆则其值>=1 若theta的角度⼤于外锥⻆ 则其值<=0 这样光线就在内外锥⻆之间平滑变化.
float intensity = clamp((theta - outCutOff)/epsilon,0.0,1.0);

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GLSL代码实现

//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GLSL代码实现

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); //光源与法线夹⻆
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);

系列文章：

• OpenGL ES之旅（一）-- OpenGL ES 着色器渲染流程解析
• OpenGL ES之旅（二）-- OpenGL ES 了解GLKit框架
• OpenGL ES之旅（三）-- OpenGL ES 纹理翻转解决策略
• OpenGL ES之旅（四）-- OpenGL ES 光照计算