OpenGL学习笔记（十二）：初级光照：投光物/多光源（平行光、点光源、聚光）

现实世界中，我们有很多种类的光照，每种的表现都不同。将光投射(Cast)到物体的光源叫做投光物(Light Caster)。

• 平行光/定向光(Directional Light)
• 点光源(Point Light)
• 聚光(Spotlight)

平行光

当一个光源处于很远的地方时，来自光源的每条光线就会近似于互相平行。
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。

定向光非常好的一个例子就是太阳。太阳距离我们并不是无限远，但它已经远到在光照计算中可以把它视为无限远了。

因为对场景中每一个物体光的方向都是一致的。我们可以定义一个光线 方向向量 而不是 位置向量 来模拟一个定向光。着色器的计算基本保持不变，但这次我们将直接使用光的direction向量而不是通过position来计算lightDir向量。

struct Light {
    // vec3 position; // 使用定向光就不再需要了
    vec3 direction;

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};
...
void main()
{
  vec3 lightDir = normalize(-light.direction);
  ...
}

首先对light.direction向量取反。我们目前使用的光照计算需求一个从片段至光源的光线方向，但人们更习惯定义定向光为一个从光源出发的全局方向。所以我们需要对全局光照方向向量取反来改变它的方向，它现在是一个指向光源的方向向量了。而且，记得对向量进行标准化，假设输入向量为一个单位向量是很不明智的。

最终的lightDir向量将和以前一样用在漫反射和镜面光计算中：

	// diffuse 
    vec3 norm = normalize(Normal);
    //vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);
    vec3 lightDir = normalize(-light.direction);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
    vec3 diffuse = light.diffuse * diff * texture(material.diffuse, TexCoords).rgb;  
    
    // specular
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);  
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    vec3 specular = light.specular * spec * texture(material.specular, TexCoords).rgb; 

同时，不要忘记定义光源的方向（注意我们将方向定义为从光源出发的方向，你可以很容易看到光的方向朝下）。

lightingShader.setVec3("light.direction", -0.2f, -1.0f, -0.3f);

为了清楚地展示定向光对多个物体具有相同的影响，我们将会再次定义了十个不同的箱子位置，并对每个箱子都生成了一个不同的模型矩阵，每个模型矩阵都包含了对应的局部-世界坐标变换：

for(unsigned int i = 0; i < 10; i++)
{
    glm::mat4 model;
    model = glm::translate(model, cubePositions[i]);
    float angle = 20.0f * i;
    model = glm::rotate(model, glm::radians(angle), glm::vec3(1.0f, 0.3f, 0.5f));
    lightingShader.setMat4("model", model);

    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
}

• 我们一直将光的位置和位置向量定义为vec3，但一些人会喜欢将所有的向量都定义为vec4。
• 当我们将位置向量定义为一个vec4时，很重要的一点是要将w分量设置为1.0，这样 变换和投影 才能正确应用。
• 然而，当我们定义一个方向向量为vec4的时候，我们不想让位移有任何的效果（因为它仅仅代表的是方向），所以我们将w分量设置为0.0。
• 这也可以作为一个快速检测光照类型的工具：你可以检测w分量是否等于1.0，来检测它是否是光的位置向量；w分量等于0.0，则它是光的方向向量，这样就能根据这个来调整光照计算了。
• 这正是旧OpenGL决定光源是定向光还是位置光源(Positional Light Source)的方法，并根据它来调整光照。

完整代码参考

点光源

定向光对于照亮整个场景的全局光源是非常棒的，但除了定向光之外我们也需要一些分散在场景中的点光源(Point Light)。点光源是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。

想象作为投光物的灯泡和火把，它们都是点光源。

之前我们一直都在使用一个小的立方体当作简易的点光源。但我们定义的光源模拟的是永远不会衰减的光线，这看起来像是光源亮度非常的强。在大部分的3D模拟中，我们都希望模拟的光源仅照亮光源附近的区域而不是整个场景。

随着光线传播距离的增长逐渐削减光的强度通常叫做衰减(Attenuation)。随距离减少光强度的一种方式是使用一个线性方程。接下来为了计算衰减值，我们定义3个项：常数项Kc、一次项Kl和二次项Kq：

• 常数项通常保持为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。
• 一次项会与距离值相乘，以线性的方式减少强度。
• 二次项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。

更新 片段着色器 中的Light结构体：

struct Light {
    vec3 position;  

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;

    float constant;
    float linear;
    float quadratic;
};

我们希望光源能够覆盖50的距离（覆盖距离和系数关系可以由Ogre3D的Wiki查到），然后我们将在OpenGL中设置这些项：

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

根据公式计算衰减值，之后再分别乘以环境光、漫反射和镜面光分量。

float distance    = length(light.position - FragPos);
float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * (distance * distance));

ambient  *= attenuation; //也可以将环境光分量保持不变，让环境光照不会随着距离减少
diffuse  *= attenuation;
specular *= attenuation;

点光源就是一个能够配置位置和衰减的光源。它是我们光照工具箱中的又一个光照类型。完整代码参考

聚光

聚光(Spotlight)是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中聚光是用一个世界空间位置、一个方向 和 一个切光角(Cutoff Angle) 来表示的，切光角指定了聚光的半径。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。

• LightDir：从片段指向光源的向量。
• SpotDir：聚光所指向的方向。
• 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。

所以我们要做的就是计算LightDir向量和SpotDir向量之间的点积（它会返回两个单位向量夹角的余弦值），并将它与切光角ϕ值对比。你现在应该了解聚光究竟是什么了，下面我们将以手电筒的形式创建一个聚光。

手电筒(Flashlight) 是一个位于观察者位置的聚光，通常它都会瞄准玩家视角的正前方。基本上说，手电筒就是普通的聚光，但它的位置和方向会随着玩家的位置和朝向不断更新。

更新片段着色器，我们需要的值有聚光的位置向量（来计算光的方向向量）、聚光的方向向量和一个切光角。将它们储存在Light结构体中：

struct Light {
    vec3  position;
    vec3  direction;
    float cutOff;
    ...
};

将合适的值传到着色器中：

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

我们并没有给切光角设置一个角度值，反而是用角度值计算了一个余弦值，将余弦结果传递到片段着色器中。
这样做的原因是在片段着色器中，我们会计算LightDir和SpotDir向量的点积，这个点积返回的将是一个余弦值而不是角度值，所以我们不能直接使用角度值和余弦值进行比较。为了获取角度值我们需要计算点积结果的反余弦，这是一个开销很大的计算。所以为了节约一点性能开销，我们将会计算切光角对应的余弦值，并将它的结果传入片段着色器中。由于这两个角度现在都由余弦角来表示了，我们可以直接对它们进行比较而不用进行任何开销高昂的计算。

接下来就是计算θ值，并将它和切光角ϕ对比，来决定是否在聚光的内部：

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

if(theta > light.cutOff) 
{       
  // 执行光照计算
}
else  // 否则，使用环境光，让场景在聚光之外时不至于完全黑暗
  color = vec4(light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)), 1.0);

我们首先计算了lightDir和取反的direction向量（取反的是因为让向量指向光源而不是从光源出发）之间的点积。对所有的相关向量标准化。

因为比较的是余弦cos值，θ比切光角的小，θ的余弦比切光角的余弦大。

完整代码参考

与真实的手电筒看起来还是有区别。真实情况下边缘应该是逐渐变暗的，而不是界限分明的。

为了创建一种看起来边缘平滑的聚光，我们需要模拟聚光有一个内圆锥(Inner Cone)和一个外圆锥(Outer Cone)。我们可以将内圆锥设置为上一部分中的那个圆锥，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。

实现一个在聚光外是负的，在内圆锥内大于1.0的，在边缘处于两者之间的强度值。如果我们正确地约束(Clamp)这个值，在片段着色器中就不再需要if-else了，我们能够使用计算出来的强度值直接乘以光照分量：

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

使用了clamp函数把第一个参数约束(Clamp)在了0.0到1.0之间。这保证强度值不会在[0, 1]区间之外。

使用的内切光角是12.5，外切光角是17.5效果：完整代码参考

多光源

结合之前学过的所有知识，我们可以将多种光源结合起来布置在同一场景中。

为了在场景中使用多个光源，我们希望将光照计算封装到GLSL函数中。这样做的原因是，每一种光源都需要一种不同的计算方法，而一旦我们想对多个光源进行光照计算时，代码很快就会变得非常复杂。如果我们只在main函数中进行所有的这些计算，代码很快就会变得难以理解。

GLSL中的函数和C函数很相似，它有一个函数名、一个返回值类型，如果函数不是在main函数之前声明的，我们还必须在代码文件顶部声明一个原型。我们对每个光照类型都创建一个不同的函数：定向光、点光源和聚光。

当我们在场景中使用多个光源时，通常使用以下方法：我们需要有一个单独的颜色向量代表片段的输出颜色。对于每一个光源，它对片段的贡献颜色将会加到片段的输出颜色向量上。所以场景中的每个光源都会计算它们各自对片段的影响，并结合为一个最终的输出颜色。大体的结构会像是这样：

out vec4 FragColor;

void main()
{
  // 定义一个输出颜色值
  vec3 output;
  // 将定向光的贡献加到输出中
  output += someFunctionToCalculateDirectionalLight();
  // 对所有的点光源也做相同的事情
  for(int i = 0; i < nr_of_point_lights; i++)
    output += someFunctionToCalculatePointLight();
  // 也加上其它的光源（比如聚光）
  output += someFunctionToCalculateSpotLight();

  FragColor = vec4(output, 1.0);
}

封装后的片段着色器：（完整源码参考）

#version 330 core
out vec4 FragColor;

struct Material {
    sampler2D diffuse;
    sampler2D specular;
    float shininess;
}; 

struct DirLight {
    vec3 direction;
	
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};

struct PointLight {
    vec3 position;
    
    float constant;
    float linear;
    float quadratic;
	
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};

struct SpotLight {
    vec3 position;
    vec3 direction;
    float cutOff;
    float outerCutOff;
  
    float constant;
    float linear;
    float quadratic;
  
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;       
};

#define NR_POINT_LIGHTS 4

in vec3 FragPos;
in vec3 Normal;
in vec2 TexCoords;

uniform vec3 viewPos;
uniform DirLight dirLight;
uniform PointLight pointLights[NR_POINT_LIGHTS];
uniform SpotLight spotLight;
uniform Material material;

// function prototypes
vec3 CalcDirLight(DirLight light, vec3 normal, vec3 viewDir);
vec3 CalcPointLight(PointLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir);
vec3 CalcSpotLight(SpotLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir);

void main()
{    
    // properties
    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
    
    // == =====================================================
    // Our lighting is set up in 3 phases: directional, point lights and an optional flashlight
    // For each phase, a calculate function is defined that calculates the corresponding color
    // per lamp. In the main() function we take all the calculated colors and sum them up for
    // this fragment's final color.
    // == =====================================================
    // phase 1: directional lighting
    vec3 result = CalcDirLight(dirLight, norm, viewDir);
    // phase 2: point lights
    for(int i = 0; i < NR_POINT_LIGHTS; i++)
        result += CalcPointLight(pointLights[i], norm, FragPos, viewDir);    
    // phase 3: spot light
    result += CalcSpotLight(spotLight, norm, FragPos, viewDir);    
    
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

// calculates the color when using a directional light.
vec3 CalcDirLight(DirLight light, vec3 normal, vec3 viewDir)
{
    vec3 lightDir = normalize(-light.direction);
    // diffuse shading
    float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    // specular shading
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    // combine results
    vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
    vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
    vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));
    return (ambient + diffuse + specular);
}

// calculates the color when using a point light.
vec3 CalcPointLight(PointLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir)
{
    vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);
    // diffuse shading
    float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    // specular shading
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    // attenuation
    float distance = length(light.position - fragPos);
    float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * (distance * distance));    
    // combine results
    vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
    vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
    vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));
    ambient *= attenuation;
    diffuse *= attenuation;
    specular *= attenuation;
    return (ambient + diffuse + specular);
}

// calculates the color when using a spot light.
vec3 CalcSpotLight(SpotLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir)
{
    vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);
    // diffuse shading
    float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    // specular shading
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    // attenuation
    float distance = length(light.position - fragPos);
    float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * (distance * distance));    
    // spotlight intensity
    float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction)); 
    float epsilon = light.cutOff - light.outerCutOff;
    float intensity = clamp((theta - light.outerCutOff) / epsilon, 0.0, 1.0);
    // combine results
    vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
    vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
    vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));
    ambient *= attenuation * intensity;
    diffuse *= attenuation * intensity;
    specular *= attenuation * intensity;
    return (ambient + diffuse + specular);
}