OpenGL进阶(十三) - GLSL光照（Lighting）-白红宇

OpenGL进阶(十三) - GLSL光照（Lighting）

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发布时间：2019-06-09

本文共 7650 字，大约阅读时间需要 25 分钟。

提要

在上一篇文章中，我们介绍了简单的Shading，同时提出了一个光照模型，模拟了一个点光源，但是，关于光的故事还没有结束...

今天要学习的是方向光源（Directional Light），聚光灯，per pixel shading，halfway vector。

关于光源的原理及数学描述，请参考：

方向光源

方向光源就两个参数，方向和强度。

还是简单的 ambient + diffuse + spec 光照模型。先看shader的代码。

basic.vert

#version 400layout (location = 0) in vec3 VertexPosition;  layout (location = 1) in vec3 VertexNormal;  out vec3 LightIntensity;struct LightInfo{	vec4 Direction;	vec3 Intensity;};struct MaterialInfo{	vec3 Ka;	vec3 Kd;	vec3 Ks;	float Shininess;};uniform LightInfo Light;uniform	MaterialInfo Material;uniform mat4 ModelViewMatrix;uniform mat3 NormalMatrix;uniform mat4 ProjectionMatrix;uniform mat4 MVP;void getEyeSpace(out vec3 norm, out vec4 position){	norm =  normalize(NormalMatrix * VertexNormal);	position = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition, 1.0);}vec3 ads(vec4 position, vec3 norm){	vec3 s;	if(Light.Direction.w == 0.0)		s = normalize(vec3(Light.Direction));	else		s = normalize(vec3(Light.Direction - position));	vec3 v = normalize(vec3(-position));	vec3 r = reflect(-s, norm);	return Light.Intensity * (Material.Ka + Material.Kd*max(dot(s,norm), 0.0) + 	       Material.Ks * pow(max(dot(r,v),0.0), Material.Shininess));}void main(){	vec3 eyeNorm;	vec4 eyePosition;	getEyeSpace(eyeNorm, eyePosition);	LightIntensity = ads(eyePosition, eyeNorm);		gl_Position = MVP * vec4( VertexPosition, 1.0);}

在ads函数中，首先通过nomal矩阵将顶点法向量变换到视口坐标下，（nomal矩阵其实就是model-view矩阵的左上3x3的矩阵）然后通过model-view矩阵将顶点坐标转化为视口坐标系（eye coordinates）下。

接下来的ads用来计算光照模型下顶点的颜色,分别计算三个分量，然后相加。

basic.frag

#version 400in vec3 LightIntensity;void main(void){	gl_FragColor = vec4(LightIntensity, 1.0);	//gl_FragColor = vec4(1.0,1.0,0.1, 1.0);}

这个就是将根据顶点shader传来的颜色对片段进行赋值。

在cgl.cpp的setUniform函数中对Uniform变量进行赋值。

void CGL::setUniform(){    mat4 projection = glm::perspective(45.0f, 4.0f / 3.0f, 0.1f, 100.0f);    mat4 mv = view * model;    prog.setUniform("Material.Kd", 0.9f, 0.5f, 0.3f);    prog.setUniform("Material.Ka", 0.9f, 0.5f, 0.3f);    prog.setUniform("Material.Ks", 0.8f, 0.8f, 0.8f);    prog.setUniform("Material.Shininess", 100.0f);    prog.setUniform("Light.Direction", vec4(1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f));    prog.setUniform("Light.Intensity", 1.0f, 1.0f, 1.0f);    prog.setUniform("ModelViewMatrix", mv);    prog.setUniform("NormalMatrix",mat3( vec3(mv[0]), vec3(mv[1]), vec3(mv[2]) ));    prog.setUniform("MVP", projection * mv);}

渲染的效果如下：

可以很明显的感觉模型旋转时到表面光照的变化。

halfway vector 性能优化

在前面的光照模型中，用于计算specular分量的公式如下：

其中 r 是反射光线的方向向量，v是往视口方向的向量，其中 r 的计算：

这个计算过程会非常耗时，我们可以用一个trick来改善一下。

定义一个 h （halfway vector）向量：

下图是 h 和其他向量的位置关系。

specular分量的计算就可以转化成：

相比于计算 r ，h 的计算相对比较简单，而 h 和 n 之间的夹角与 v 和 r 之间的夹角大小几乎相同！那就意味着我们可以用 h.n 来代替 r.v 从而可以带利用 halfway vector 来获得性能上的一些提升。虽然效果上会有那么小小的不同。

后面的灯光的计算都会用到这个优化。

聚光灯 Spotlight

这里的采用一个最简单的聚光灯模型：

灯光的属性有：位置，强度，方向，衰减（exponent），裁剪角度。

实现起来也比较简单，在投射角内的物体，渲染方式和点光源的计算一样，投射角之外的顶点，着色的时候只有ambient。

还是采用我们比较熟悉的per vertex shading 方式。在vert中定义聚光灯：

//baisc.vert#version 400layout (location = 0) in vec3 VertexPosition;  layout (location = 1) in vec3 VertexNormal;  out vec3 LightIntensity;struct SpotLightInfo{	vec4 position;	vec3 direction;	vec3 intensity;	float exponent;	float cutoff;};struct MaterialInfo{	vec3 Ka;	vec3 Kd;	vec3 Ks;	float Shininess;};uniform SpotLightInfo Spot;uniform	MaterialInfo Material;uniform mat4 ModelViewMatrix;uniform mat3 NormalMatrix;uniform mat4 ProjectionMatrix;uniform mat4 MVP;void getEyeSpace(out vec3 norm, out vec4 position){	norm =  normalize(NormalMatrix * VertexNormal);	position = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition, 1.0);}vec3 adsSpotLight(vec4 position, vec3 norm){	vec3 s = normalize(vec3(Spot.position - position));	float angle = acos(dot(-s, normalize(Spot.direction)));	float cutoff = radians(clamp(Spot.cutoff, 0.0, 90.0));	vec3 ambient = Spot.intensity * Material.Ka;		if(angle < cutoff){		float spotFactor = pow(dot(-s, normalize(Spot.direction)), Spot.exponent);		vec3 v = normalize(vec3(-position));		vec3 h = normalize(v + s);		return ambient + spotFactor * Spot.intensity * (Material.Kd * max(dot(s, norm),0.0)		      + Material.Ks * pow(max(dot(h,norm), 0.0),Material.Shininess)); 	}	else	{		return ambient; 	}	       }void main(){	vec3 eyeNorm;	vec4 eyePosition;	getEyeSpace(eyeNorm, eyePosition);		LightIntensity = adsSpotLight(eyePosition, eyeNorm);		gl_Position = MVP * vec4( VertexPosition, 1.0);}

几个GLSL中的内置函数在这里说明一下。

genType clamp( genType x, genType minVal, genType maxVal);

获取三个数中第二大的数。

genType radians(genType degrees);

将角度转换成弧度。

adsSpotLight是主要的函数，先计算顶点和光源方向之间的夹角，判断顶点是否在照射的区域，然后分别求得最终的颜色。

片段shader还是那样:

#version 400in vec3 LightIntensity;void main(void){	gl_FragColor = vec4(LightIntensity, 1.0);}

uniform变量的赋值：

void CGL::setUniform(){    //model = glm::rotate(this->model, 10.0f, vec3(0.0f,1.0f,0.0f));    mat4 projection = glm::perspective(45.0f, 4.0f / 3.0f, 0.1f, 100.0f);    mat4 mv = view * model;    mat3 normalMatrix = mat3( vec3(view[0]), vec3(view[1]), vec3(view[2]) );    prog.setUniform("Material.Kd", 0.9f, 0.5f, 0.3f);    prog.setUniform("Material.Ka", 0.9f, 0.5f, 0.3f);    prog.setUniform("Material.Ks", 0.8f, 0.8f, 0.8f);    prog.setUniform("Material.Shininess", 100.0f);    vec4 lightPos = vec4(1.0f, 5.0f, 20.0f, 1.0f);   // prog.setUniform("Spot.position", lightPos);    prog.setUniform("Spot.position", view * lightPos);    prog.setUniform("Spot.direction", normalMatrix * vec3(-10.0,0.0,-40.0) );    //prog.setUniform("Spot.direction", vec3(10.9f,10.9f,10.9f)  );    prog.setUniform("Spot.intensity", vec3(0.9f,0.9f,0.9f) );    prog.setUniform("Spot.exponent", 30.0f );    prog.setUniform("Spot.cutoff", 15.0f );    prog.setUniform("ModelViewMatrix", mv);    prog.setUniform("NormalMatrix",normalMatrix);    prog.setUniform("MVP", projection * mv);}

在这里给Spot.position赋值的时候不是 prog.setUniform("Spot.position", lightPos); 而是prog.setUniform("Spot.position", view * lightPos)，因为在shader中的计算都是在视口坐标下进行的，这样做是为了统一坐标。Spot.direction的赋值也是一样。也可以把坐标转换这一步放到shader中去做。

最终效果如下：

逐像素着色 per pixel shading

相对与前面将主要计算工作放在顶点shader中的 per vertex shading ，per pixel shading 指的是将计算放到片段shader中，这样可以带来更加真实可感的渲染效果。

basic2.vert

#version 400layout (location = 0) in vec3 VertexPosition;  layout (location = 1) in vec3 VertexNormal;  out vec4 Position;out vec3 Normal;uniform mat4 ModelViewMatrix;uniform mat3 NormalMatrix;uniform mat4 ProjectionMatrix;uniform mat4 MVP;void getEyeSpace(out vec3 norm, out vec4 position){	norm =  normalize(NormalMatrix * VertexNormal);	position = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition, 1.0);}void main(){	getEyeSpace(Normal, Position);	gl_Position = MVP * vec4( VertexPosition, 1.0);}

basic2.frag

#version 400in vec4 Position;in vec3 Normal;struct SpotLightInfo{	vec4 position;	vec3 direction;	vec3 intensity;	float exponent;	float cutoff;};struct MaterialInfo{	vec3 Ka;	vec3 Kd;	vec3 Ks;	float Shininess;};uniform SpotLightInfo Spot;uniform	MaterialInfo Material;vec3 adsSpotLight(vec4 position, vec3 norm){	vec3 s = normalize(vec3(Spot.position - position));	float angle = acos(dot(-s, normalize(Spot.direction)));	float cutoff = radians(clamp(Spot.cutoff, 0.0, 90.0));	vec3 ambient = Spot.intensity * Material.Ka;		if(angle < cutoff){		float spotFactor = pow(dot(-s, normalize(Spot.direction)), Spot.exponent);		vec3 v = normalize(vec3(-position));		vec3 h = normalize(v + s);		return ambient + spotFactor * Spot.intensity * (Material.Kd * max(dot(s, norm),0.0)		      + Material.Ks * pow(max(dot(h,norm), 0.0),Material.Shininess)); 	}	else	{		return ambient; 	}	       }void main(void){	gl_FragColor = vec4(adsSpotLight(Position, Normal), 1.0);	//gl_FragColor = vec4(1.0,1.0,0.5, 1.0);}

看一下渲染效果：