GLSL逐顶点光照[转]

转载：http://blog.csdn.net/hgl868/article/details/7872350

引言

在OpenGL中有三种类型的光：方向光（directional）、点光（point）、聚光（spotlight）。本教程将从方向光讲起，首先我们将使用GLSL来模仿OpenGL中的光。

我们将向shader中逐渐添加环境光、散射光和高光效果。

后面的教程中我们将使用逐像素光照以获得更好的效果。

接下来我们将实现逐像素的点光和聚光。这些内容与方向光很相近，大部分代码都是通用的。

在卡通着色的教程中我们接触过在GLSL中如何访问OpenGL状态中关于光源的部分，这些数据描述了每个光源的参数。

struct
gl_LightSourceParameters  
    {
 
       
vec4 ambient;  
       
vec4 diffuse;  
       
vec4 specular;  
       
vec4 position;  
       
vec4 halfVector;  
       
vec3 spotDirection;  
       
float spotExponent;  
       
float spotCutoff; // (range: [0.0,90.0], 180.0)
 
       
float spotCosCutoff; // (range: [1.0,0.0],-1.0)
 
       
float constantAttenuation;  
       
float linearAttenuation;  
       
float quadraticAttenuation;  
    };
 
    
 
    uniform
gl_LightSourceParameters gl_LightSource[gl_MaxLights];
 
    struct
gl_LightModelParameters  
    {
 
       
vec4 ambient;  
    };
 
    uniform
gl_LightModelParameters
gl_LightModel;  
在GLSL中也同样可以访问材质参数：

struct
gl_MaterialParameters  
    {
 
       
vec4 emission;  
       
vec4 ambient;  
       
vec4 diffuse;  
       
vec4 specular;  
       
float shininess;  
    };
 
    
 
    uniform
gl_MaterialParameters gl_FrontMaterial;  
    uniform
gl_MaterialParameters
gl_BackMaterial;

在OpenGL程序中，这些参数中的大部分，不论属于光源还是材质，用起来都是相似的。我们将使用这些参数实现自己的方向光。

方向光I
本节的公式来自《OpenGL编程指南》中“和光照有关的数学知识”这一章。
我们从散射光开始讨论。在OpenGL中假定，不管观察者的角度如何，得到的散射光强度总是相同的。散射光的强度与光源中散射光成分以及材质中散射光反射系数相关，此外也和入射光角度与物体表面法线的夹角相关。

OpenGL用下面的公式计算散射光成分：

I是反射光的强度，Ld是光源的散射成分（gl_LightSource[0].diffuse），Md是材质的散射系数（gl_FrontMaterial.diffuse）。

这个公式就是Lambert漫反射模型。Lambert余弦定律描述了平面散射光的亮度，正比于平面法线与入射光线夹角的余弦，这一理论提出已经超过200年了。

在顶点shader中要实现这个公式，需要用到光源参数中的方向、散射成分强度，还要用到材质中的散射成分值。因此使用此shader时，在OpenGL中需要像在平时一样设置好光源。注意：由于没有使用固定功能流水线，所以不需要对光源调用glEnable。

要计算余弦值，首先要确保光线方向向量（gl_LightSource[0].position）与法线向量都是归一化的，然后就可以使用点积得到余弦值。注意：对方向光，OpenGL中保存的方向是从顶点指向光源，与上面图中画的相反。

OpenGL将光源的方向保存在视点空间坐标系内，因此我们需要把法线也变换到视点空间。完成这个变换可以用预先定义的一致变量gl_NormalMatrix。这个矩阵是模型视图变换矩阵的左上3×3子矩阵的逆矩阵的转置。

以下就是上述内容的顶点shader代码：

void main()
 
    {
 
       
vec3 normal, lightDir;  
       
vec4 diffuse;  
       
float NdotL;  
    
 
       
 
       
normal = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);
 
       
 
       
lightDir = normalize(vec3(gl_LightSource[0].position));
 
       
 
       
NdotL = max(dot(normal, lightDir), 0.0);  
       
 
       
diffuse = gl_FrontMaterial.diffuse * gl_LightSource[0].diffuse;
 
       
gl_FrontColor =  NdotL * diffuse;
 
    
 
       
gl_Position = ftransform();  
   
}  
在片断shader中要做的就是使用易变变量gl_Color设置颜色。

void main()
 
    {
 
       
gl_FragColor = gl_Color;  
   
}  
下图显示了应用此shader的茶壶效果。注意茶壶的底部非常黑，这是因为还没有使用环境光的缘故。

加入环境光非常容易，只需要使用一个全局的环境光参数以及光源的环境光参数即可，公式如下所示：

前面的顶点shader中需要加入几条语句完成环境光的计算：

void main()
 
    {
 
       
vec3 normal, lightDir;  
       
vec4 diffuse, ambient, globalAmbient;  
       
float NdotL;  
    
 
       
normal = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);
 
       
lightDir = normalize(vec3(gl_LightSource[0].position));
 
       
NdotL = max(dot(normal, lightDir), 0.0);  
       
diffuse = gl_FrontMaterial.diffuse * gl_LightSource[0].diffuse;
 
       
 
       
ambient = gl_FrontMaterial.ambient * gl_LightSource[0].ambient;
 
       
globalAmbient = gl_FrontMaterial.ambient * gl_LightModel.ambient;
 
       
gl_FrontColor =  NdotL * diffuse + globalAmbient +
ambient;  
    
 
       
gl_Position = ftransform();  
   
}  
下图显示了最终效果。加入环境光后整个画面都变亮了，不过相对于应用了反射光效果的全局光照模型（global illumination
model），这种计算环境光的方式只能算廉价的解决方案。

方向光II
下面介绍OpenGL方向光中的镜面反射部分。我们使用称为Blin-Phong模型的光照模型，这是Phong模型的简化版。在这之前，我们有必要先看看Phong模型，以便于更好地理解Blin-Phong模型。

在Phong模型中，镜面反射成分和反射光线与视线夹角的余弦相关，如下图：

L表示入射光，N表示法线，Eye表示从顶点指向观察点的视线，R是L经镜面反射后的结果，镜面反射成分与α角的余弦相关。

如果视线正好和反射光重合，我们将接收到最大的反射强度。当视线与反射光相分离时，反射强度将随之下降，下降速率可以由一个称为shininess的因子
控制，shininess的值越大，下降速率越快。也就是说，shininess越大的话，镜面反射产生的亮点就越小。在OpenGL中这个值的范围是0
到128。

计算反射光向量的公式：

OpenGL中使用Phong模型计算镜面反射成分的公式：

式中指数s就是shininess因子，Ls是光源中镜面反射强度，Ms是材质中的镜面反射系数。

Blinn提出了一种简化的模型，也就是Blinn-Phong模型。它基于半向量（half-vector），也就是方向处在观察向量以及光线向量之间的一个向量：

现在可以利用半向量和法线之间夹角的余弦来计算镜面反射成分。OpenGL所使用的Blinn-Phong模型计算镜面反射的公式如下：

这个方法与显卡的固定流水线中使用的方法相同。因为我们要模拟OpenGL中的方