Directx教程(22) 简单的光照模型(1)

原文:Directx教程(22) 简单的光照模型(1)

     在前面的教程中，我们在顶点属性中直接给顶点赋颜色，这样生成的三维物体缺乏真实感,如下图中两个立方体，左边的是通过光照生成物体表面颜色的，右边的则是直接给顶点赋颜色值。

    

首先，我们学习一下最简单的phong光照模型：

      在phong光照模型中，物体表面的颜色由自发射光(emissive)、环境光(ambient)、漫反射光(diffuse)以及镜面高光(specular)四部分组成，每一部分又是通过物体表面的材质属性和光照属性一起来决定。用公式来表示就是：

     surfaceColor = emissive + ambient + diffuse + specular

自发射光(emissive)：

     它表示物体本身具有发射光的属性，它是独立于光源的，同时她它本身也不是光源，不会对场景中的其它为物体有影响。通常emissive用一个常量颜色来表示。

     emissive = K_e， K_e表示材质的自发射光属性。

环境光(ambient)：

      环境光模拟场景中来自于来自于各个方向的光线，这些光线也没有位置的概念，比如白天我们在房间里，没有任何特定光源，但我们房间确实亮的。通常它等于

      ambient = K_a x globalAmbient

      Ka表示材质的环境光反射系数，globalAmbient表示入射光线的环境光系数，它们通常都是2个颜色常量。

漫反射光(diffuse)：

      漫反射光通常指方向光在物体表面不同方向的反射光，如上图所示，在粗糙的表面上，入射光的反射投向不同的方向。反射光的计算通常用Lambert定律：

 

diffuse = K_d x lightColor x max(N · L, 0)

 

• K_d  是材质的漫反射颜色系数, lightColor 是入射光的颜色 、
• N  是物体表面的法向
• L  是顶点朝向光源的归一化向量
• P  是着色的顶点位置

高光(specular):

     在光滑的表面，比如金属球，通常有高光的效果。高光通常是物体光滑表面的镜面反射散射效果。

      高光和光源方向和视点都有关系，它的计算公式如下：

specular = K_s x lightColor x facing x (max(N · H, 0)) ^shininess

• K_s 是材质的高光系数, lightColor是光源颜色，shininess是高光系数，通常是一个常量。
• N 是归一化的物体表面法向
• V 朝向视点的归一化向量
• L 是顶点朝向光源的归一化向量
• H 等于归一化的向量(V+L)/2
• P 是着色的顶点位置
• 如果N · L > 0，facing 是 1 ,否则是0

了解了基本的光照模型以后，我们开始光照程序的编写：

      首先，新建一个CubeModelClass类，该类表示一个cube立方体，但和ModelClass类不同的是，在顶点结构中我们去掉了color属性，增加了normal属性。

struct VertexType
    {
    D3DXVECTOR3 position;
    D3DXVECTOR3 normal; //法向
    };

     该立方体中心在原点，每个顶点的法向，我都取原点到该顶点位置的归一化向量(在shader中实现归一化，给顶点法向赋值时，我并没有做归一化操作）。每个顶点法向位置大概如下图红色线段所示：

     接下来，我们要定义两个新的shader文件light.vs和light.ps,新的基于材质和光源的物体渲染，将使用这两个文件。这两个文件的中光照计算公式就是利用上面的讲的phong光照原理。

    surfaceColor = emissive + ambient + diffuse + specular

    我们在light.vs中实现光照计算，需要注意的是，在利用漫反射(高光)时候，我用了方向光(directional light，所有光线都是一个方向，比如无穷远处的光源，类似太阳光),代码大致如下：

    //自发射颜色
    float3 emissive = float3(0.0, 0.0, 0.0);
   
    //计算环境光
    float3 ambient =  float3(0.3, 0.3, 0.3);
   
    //计算漫反射光
     float3 L = normalize(float3(-1.0, -1.0, 1.0));
     float diffuseLight = max(dot(N, L), 0);
     float3 diffuse =  diffuseLight;

     //计算高光
     float3 V = normalize(cameraPosition - P);
     float3 H = normalize(L + V);
     float specularLight = pow(max(dot(N, H), 0), 5.0);
 
      if (diffuseLight <= 0)
          specularLight = 0;
      float3 specular =  specularLight;

      output.color.xyz = emissive + ambient + diffuse + specular;

      接下来，我们又定义LightShaderClass类，主要用该类实现light.vs和light.ps的载入，参数初始化以及执行shader等功能。

     最后就是在GraphicsClass中创建LightShaderClass和CubeModelClass类，渲染这个新的cube对象(老的modelClass也是一个cube，但我们用colorShader渲染它，并且它的位置也被挪到右边)。

     程序运行后的界面如下：

完整的代码请参考：

工程文件myTutorialD3D11_15

代码下载：

http://files.cnblogs.com/mikewolf2002/myTutorialD3D11.zip