LearnOpenGL-光照-5.投光物

本人刚学OpenGL不久且自学，文中定有代码、术语等错误，欢迎指正

我写的项目地址：https://github.com/liujianjie/LearnOpenGLProject

投光物

• 前面几节使用的光照都来自于空间中的一个点

  即把光源当做一个点

  但现实世界中，我们有很多种类的光照，每种的表现都不同。

• 投光物

  将光投射(Cast)到物体的光源叫做投光物

• 小结

  我做个小总结，与前面几节把光源当做一个点的区别

  • 平行光

    • 与一个点做光源不一样

      点光源需要位置

      平行光需要方向

      所以在实现计算光源对片段的漫反射、镜面光影响，要得到光源的方向方式会不一样

  • 点光源

    • 与一个点做光源一样需要位置

      在实现计算光源对片段的漫反射、镜面光影响，要得到光源的方向方式会一样

    • 点光源会衰减，前面的点光不会

  • 聚光灯

    • 与一个点做光源一样需要位置

      在实现计算光源对片段的漫反射、镜面光影响，要得到光源的方向方式会一样

    • 聚光灯照射一个特点方向的范围，前面的点光没有范围且四周散射

平行光

这里需要定义平行光的方向向下，才符合太阳的光照照射（指向）方向，所以计算漫反射和镜面光强度的时候需要取反得到光源的方向向量。

• 简介

  当我们使用一个假设光源处于无限远处的模型时，它就被称为定向光，因为它的所有光线都有着相同的方向，它与光源的位置是没有关系的。

• 图示

  

  计算漫反射和镜面光分量时光源的方向

  

• 特点

  因为所有的光线都是平行的，所以物体与光源的相对位置是不重要的，因为对场景中每一个物体光的方向都是一致的。

• 例子

  定义一个光线方向向量而不是位置向量来模拟一个定向光。

  这个光线方向是从光源指向像素点的方向，若要模仿太阳光从上往下照射，各个分量值应该为负的

  cpp

  lightingShader.setVec3("light.direction", -0.2f, -1.0f, -0.3f);// 太阳光向下
  

  glsl

  #version 330 core
  out vec4 FragColor;in vec3 Normal;
  in vec3 FragPos;
  in vec2 TexCoords;// 纹理坐标uniform vec3 viewPos;struct Material {sampler2D diffuse;  // 纹理单元sampler2D specular;//  镜面光照颜色分量从纹理采样float shininess;
  }; 
  uniform Material material;// 光照强度
  struct Light {// vec3 position; // 使用平行光就不再需要位置了vec3 direction; // 从光源出发到全局的方向vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;
  };uniform Light light;
  void main()
  {// 取负变为光源的方向向量，用在计算漫反射和镜面光分量时vec3 lightDir = normalize(-light.direction);// 环境光光照分量float ambientStrength = 0.1;// 从漫反射纹理读取颜色分量vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)); // 漫反射光照分量vec3 norm = normalize(Normal);// vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);// 一个点做光源才需要这样相减计算片段到光源的方向向量float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);             // 得到光源对当前片段实际的漫反射影响vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));// 从漫反射纹理读取颜色分量// 镜面光照分量float specularStrength = 0.5;vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);            // 是观察者方向，不是观察者看向的方向vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);// 光源对当前片段的镜面光影响// vec3 specular = light.specular * (spec * material.specular); // 改变在这里// 采样镜面光纹理颜色作为镜面光照颜色分量vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords)); vec3 result = (ambient + diffuse + specular) ;FragColor = vec4(result, 1.0);
  }
  

  • 说明

    依旧是冯氏光照模型

    vec3 lightDir = normalize(-light.direction);

    因为direction是光源指向像素点，加了负号以后成为像素点指向光源（光源的方向），这样才能与前面小节相符，正确计算光源对片段的漫反射和镜面光影响。

    对应开头的小结

    在实现计算光源对片段的漫反射、镜面光影响，要得到光源的方向方式会不一样

    // vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);// 一个点做光源才需要这样相减计算片段到光源的方向向量
    // 取负变为光源的方向向量，用在计算漫反射和镜面光分量时
    vec3 lightDir = normalize(-light.direction);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);             // 得到光源对当前片段实际的漫反射影响
    

  

点光源

这里算距离与衰减，无论是光源的方向还是光源的指向方向都可以，但是计算漫反射和镜面光强度还是依旧用光的方向向量。

• 介绍

  处于世界中某一个位置的光源，它会朝着所有方向发光，但光线会随着距离逐渐衰减

• 图

  

  计算漫反射和镜面光分量时光源的方向图就不用画了，就是片段指向灯泡

• 重点在于如何定义衰减，即距离与衰减系数关系

  • 若用线性

    • 距离的增长线性地减少光的强度，从而让远处的物体更暗

    • 这样的线性方程通常会看起来比较假

  • 用以下公式才是稍好的选择

    

    定义3个（可配置的）项：常数项Kc、一次项Kl和二次项Kq。

    • 解读

      • 常数项Kc通常保持为1.0，它的主要作用是保证分母永远不会比1小，否则的话在某些距离上它反而会增加强度，这肯定不是我们想要的效果。

      • 一次项Kl会与距离值相乘，以线性的方式减少强度。

      • 二次项Kq会与距离的平方相乘，让光源以二次递减的方式减少强度。

        二次项在距离比较小的时候影响会比一次项小很多，但当距离值比较大的时候它就会比一次项更大了。

    • 效果

      

      光在近距离时亮度很高、随着距离变远亮度迅速降低、最后会以更慢的速度减少亮度

      匹配

      现实：灯在近处通常会非常亮、随着距离的增加光源的亮度一开始会下降非常快、但在远处时剩余的光强度就会下降的非常缓慢

    • 选择正确的值

      距离	常数项	一次项	二次项
      7	1.0	0.7	1.8
      13	1.0	0.35	0.44
      20	1.0	0.22	0.20
      32	1.0	0.14	0.07
      50	1.0	0.09	0.032
      65	1.0	0.07	0.017
      100	1.0	0.045	0.0075
      160	1.0	0.027	0.0028
      200	1.0	0.022	0.0019
      325	1.0	0.014	0.0007
      600	1.0	0.007	0.0002
      3250	1.0	0.0014	0.000007

• 例子

  • glsl

    #version 330 core
    out vec4 FragColor;
    struct Material {sampler2D diffuse;  // 纹理单元sampler2D specular;//  镜面光照颜色分量从纹理采样float shininess;
    }; 
    // 点光源
    struct Light {vec3 position;  // 需要位置vec3 ambient;   vec3 diffuse;vec3 specular;float constant; // 常数float linear;   // 一次项float quadratic;// 二次项
    };in vec3 FragPos;
    in vec3 Normal;
    in vec2 TexCoords;// 纹理坐标uniform vec3 viewPos;
    uniform Material material;
    uniform Light light;
    void main()
    {// 环境光光照分量// 从漫反射纹理读取颜色分量vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)); // 漫反射光照分量vec3 norm = normalize(Normal);vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 得到光源的方向,与一个点做光源一样float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);         // 得到光源对当前片段实际的漫反射影响vec3 diffuse = light.diffuse * diff * texture(material.diffuse, TexCoords).rgb;// 从漫反射纹理读取颜色分量// 镜面光照分量vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);        // 是观察者方向，不是观察者看向的方向vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);         // reflect要求第一个参数是光源指向像素点的向量float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);// 光源对当前片段的镜面光影响// 采样镜面光纹理颜色作为镜面光照颜色分量//vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords)); // 这句也行vec3 specular = light.specular * spec * texture(material.specular, TexCoords).rgb; // 计算衰减float distance  = length(light.position - FragPos);                // 得到光源到片段长度float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance // 根据公式+ light.quadratic * distance * distance);// 光照分量随距离衰减ambient *= attenuation;diffuse *= attenuation;specular *= attenuation;vec3 result = (ambient + diffuse + specular) ;FragColor = vec4(result, 1.0);
    }
    

    • 说明

      与一个点做光源一样，用光源的位置减去片段位置得到光源的方向

      vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 得到光源的方向,与一个点做光源一样
      

    cpp

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

  • 重要bug

    箱子发生旋转，法线也要跟随着变换，不然法线不再垂直顶点，会导致如下不正确效果

    

    所以需要在vs阶段需计算发生变换后的法线

    #version 330 core
    layout (location = 0) in vec3 aPos;
    layout (location = 1) in vec3 aNormal;
    layout (location = 2) in vec2 aTexCoords;uniform mat4 view;
    uniform mat4 projection;
    uniform mat4 model;out vec3 FragPos;  
    out vec3 Normal;
    out vec2 TexCoords;
    void main()
    {gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));// Normal = aNormal;// 只有顶点只发生位移时才可以保持不变Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;TexCoords = aTexCoords;
    }
    

    以下正确结果

    

聚光

这里定义光源的位置为摄像机的位置向量，计算漫反射和镜面光反射，得摄像机的位置减去像素点的位置就成光的方向向量。

• 简介

  位于环境中某个位置的光源，它只朝一个特定方向而不是所有方向照射光线。

  这样的结果就是只有在聚光方向的特定半径内的物体才会被照亮，其它的物体都会保持黑暗。

  聚光很好的例子就是路灯或手电筒

• opengl上表示

  OpenGL中聚光是用一个世界空间位置、一个方向和一个切光角来表示，切光角指定了聚光的半径

• 实现思路

  对于每个片段，我们会计算片段是否位于聚光的切光方向之间（也就是在锥形内），如果是的话，我们就会相应地照亮片段

• 图示

  

  • LightDir：从片段指向光源的向量。
  • SpotDir：聚光所指向的方向。（但实际计算时，取反方向）
  • Phiϕ：指定了聚光半径的切光角。落在这个角度之外的物体都不会被这个聚光所照亮。
  • Thetaθ：LightDir向量和SpotDir向量之间的夹角。在聚光内部的话θ值应该比ϕ值小。

  要做的就是计算LightDir向量和SpotDir向量之间的点积，等于cosθ值，将cosθ值与切光角cosϕ值对比

不平滑的例子

• 计算向量图示

  

  算theta时，为了与光的方向向量对应，dot(光的方向向量，取反光源照射前方向量)

• 代码

  #version 330 core
  out vec4 FragColor;
  struct Material {sampler2D diffuse;  // 漫反射颜色分量从纹理采样sampler2D specular;//  镜面光照颜色分量从纹理采样float shininess;
  }; 
  // 聚光灯
  struct Light {vec3  position; // 需要位置vec3  direction;// 需要照射方向float cutOff;vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;float constant; // 常数float linear;   // 一次项float quadratic;// 二次项
  };in vec3 FragPos;
  in vec3 Normal;
  in vec2 TexCoords;// 纹理坐标uniform vec3 viewPos;
  uniform Material material;
  uniform Light light;
  void main()
  {// 光源的方向向量：像素点指向光源vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);// 算出theta，dot(像素点指向光源，光源照射的方向取反）float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction)); // float theta=dot(-lightDir, normalize(light.direction));// dot(光源指向像素点, 光源照射的方向)// 执行正常光照计算：由于theta是cos值，cutOff也是cos值，cos(0-90)递减，所以theta>，而不是<if(theta > light.cutOff){// 片段在切角内// 从漫反射纹理读取颜色分量vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)); // 漫反射光照分量vec3 norm = normalize(Normal);vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 得到光源的方向,与一个点做光源一样float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);         // 得到光源对当前片段实际的漫反射影响vec3 diffuse = light.diffuse * diff * texture(material.diffuse, TexCoords).rgb;// 从漫反射纹理读取颜色分量// 镜面光照分量vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);       // 是观察者方向，不是观察者看向的方向vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);         // reflect要求第一个参数是光源指向像素点的向量float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);// 光源对当前片段的镜面光影响// 采样镜面光纹理颜色作为镜面光照颜色分量//vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords)); // 这句也行vec3 specular = light.specular * spec * texture(material.specular, TexCoords).rgb; // 计算衰减float distance  = length(light.position - FragPos);                 // 得到光源到片段长度float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance // 根据公式+ light.quadratic * distance * distance);// 光照分量随距离衰减ambient *= attenuation;diffuse *= attenuation;specular *= attenuation;vec3 result = (ambient + diffuse + specular) ;FragColor = vec4(result, 1.0);}else{// 片段不在切角内：计算环境光，以免全黑FragColor = vec4(light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)), 1.0) ;}
  }
  

  上传数据

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

  • 说明

    算theta时，为了与光的方向向量对应，dot(像素点指向光源，光源照射的方向取反）

    float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction)); 
    

    与一个点做光源一样，用光源的位置减去片段位置得到光源的方向

    vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 得到光源的方向,与一个点做光源一样
    

  • 注意点theta > light.cutOff

    因为上传给cutOff的是已经计算好了的cos值，且theta也是cosθ值（cosθ=dot(lightDir, normalize(-light.direction)))

    cos(0-90内)递减，所以theta >light.cutOff，代表当前夹角要比规定的范围角度要小，需要照亮

    

• 效果

  

  • 疑问点

    为什么，计算cos角度要用弧度值

    lightingShader.setFloat("light.cutOff", glm::cos(glm::radians(12.5f)));
    

    glm::cos()；接收的参数需要是弧度值

• 测试点积两个向量的方向

  glm::vec3 lightDir = camera.Position;
  glm::vec3 lightdirection = camera.Front;
  float theta1 = glm::dot(lightDir, glm::normalize(-lightdirection));// 对应第一个图
  cout << "像素点指向光源：" << theta1 << endl;
  float theta2 = glm::dot(-lightDir, glm::normalize(lightdirection));// 对应第二个图
  cout << "光源指向像素点：" << theta2 << endl;
  

  

  

  

  方向一样，点积值一样

平滑例子

• 引入

  如上一个例子，发现聚光灯的光圈边缘并不平滑

• 解决方法

  我们可以将内圆锥设置为上一个例子聚光灯的圆锥，但我们也需要一个外圆锥，来让光从内圆锥逐渐减暗，直到外圆锥的边界。

• 融入代码中

  为了创建一个外圆锥，我们只需要再定义一个余弦值来代表聚光灯方向向量和外圆锥向量（等于它的半径）的夹角

• 边缘平滑且圆锥内正常思路

  如果一个片段处于内外圆锥之间，将会给它计算出一个0.0到1.0之间的强度值。

  如果片段在内圆锥之内，它的强度就是1.0。

  如果在外圆锥之外强度值就是0.0。

• 公式来计算边缘平滑且圆锥内正常

  

  • 理解方式一

    θ = dot(像素点指向光源，光源照射的方向取反）= cos(它们之间的夹角)

    γ = cos（外圆角度）

    ϵ(Epsilon) = cos(内圆角度) - cos（外圆角度）

  • 结合下方图表理解

    θ = cos（θ（角度） = dot(像素点指向光源，光源照射的方向取反）= cos(它们之间的夹角)

    γ = cos（γ（角度））= γ（外光切）

    ϵ(Epsilon) = ϕ（内光切）- γ（外光切）

  θ	θ（角度）	ϕ（内光切）	ϕ（角度）	γ（外光切）	γ（角度）	ϵ	I
  0.87	30	0.91	25	0.82	35	0.91 - 0.82 = 0.09	0.87 - 0.82 / 0.09 = 0.56
  0.9	26	0.91	25	0.82	35	0.91 - 0.82 = 0.09	0.9 - 0.82 / 0.09 = 0.89
  0.97	14	0.91	25	0.82	35	0.91 - 0.82 = 0.09	0.97 - 0.82 / 0.09 = 1.67
  0.83	34	0.91	25	0.82	35	0.91 - 0.82 = 0.09	0.83 - 0.82 / 0.09 = 0.11
  0.64	50	0.91	25	0.82	35	0.91 - 0.82 = 0.09	0.64 - 0.82 / 0.09 = -2.0
  0.966	15	0.9978	12.5	0.953	17.5	0.9978 - 0.953 = 0.0448	0.966 - 0.953 / 0.0448 = 0.29

  • 个人发现图表有错（也许没错）

    最后一行：cos值计算错了

    cos（12.5）=0.976，而表中的0.9978是cos(12.5rad)，把12.5当做弧度来计算cos值

• 转换为代码

  glsl

  #version 330 core
  out vec4 FragColor;
  struct Material {sampler2D diffuse;  // 漫反射颜色分量从纹理采样sampler2D specular;//  镜面光照颜色分量从纹理采样float shininess;
  }; 
  // 聚光灯
  struct Light {vec3  position; // 需要位置vec3  direction;// 需要照射方向float cutOff;	// ϕ（内光切）float outerCutOff;// γ（外光切）vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;float constant; // 常数float linear;   // 一次项float quadratic;// 二次项
  };
  in vec3 FragPos;
  in vec3 Normal;
  in vec2 TexCoords;// 纹理坐标uniform vec3 viewPos;
  uniform Material material;
  uniform Light light;
  void main()
  {// 光源的方向向量：像素点指向光源vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);// 算出theta，dot(像素点指向光源，光源照射的方向取反）float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));// float theta=dot(-lightDir, normalize(light.direction));// dot(光源指向像素点, 光源照射的方向)// 从漫反射纹理读取颜色分量vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)); // 漫反射光照分量vec3 norm = normalize(Normal);// vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 得到光源的方向float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);vec3 diffuse = light.diffuse * diff * texture(material.diffuse, TexCoords).rgb;// 从漫反射纹理读取颜色分量// 镜面光照分量vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);            // 是观察者方向，不是观察者看向的方向vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);             // reflect要求第一个参数是光源指向像素点的向量float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);// 光源对当前片段的镜面光影响// 采样镜面光纹理颜色作为镜面光照颜色分量//vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords)); // 这句也行vec3 specular = light.specular * spec * texture(material.specular, TexCoords).rgb; // 计算衰减float distance  = length(light.position - FragPos);                 // 得到光源到片段长度float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance // 根据公式+ light.quadratic * distance * distance);// 光照分量随距离衰减ambient *= attenuation;diffuse *= attenuation;specular *= attenuation;// 为了边缘平滑且圆锥内正常float epsilon = light.cutOff - light.outerCutOff;float intensity = clamp((theta - light.outerCutOff) / epsilon, 0.0, 1.0);// 将不对环境光做出影响，让它总是能有一点光diffuse *= intensity;specular *= intensity;// 聚光灯受影响vec3 result = (ambient + diffuse + specular) ;FragColor = vec4(result, 1.0);
  }
  

  lightingShader.use();
  lightingShader.setVec3("viewPos", camera.Position);
  lightingShader.setVec3("light.position", camera.Position);
  lightingShader.setVec3("light.direction", camera.Front);// direction是光照射方向
  lightingShader.setFloat("light.cutOff", glm::cos(glm::radians(12.5f)));		//ϕ（内光切）
  lightingShader.setFloat("light.outerCutOff", glm::cos(glm::radians(17.5f)));// γ（外光切）
  

• 效果