OpenGL ES on iOS — 光照進階

dearmiku發表於2019-02-28
iOS

簡述

本文記錄我記錄我學習 座標體系和矩陣轉換的過程,加深學習便於後續查詢,可能有些描述不夠準確,或者內容不夠充實,還請多多指正,共同學習.

光源分類

在基礎光照時,學習了光照對物體的作用,也就相當於物體的材質,這次主要說 現實生活中的光源

平行光

當光源無限遠時,從其發射過來的的光可以近似的看做平行光(例如太陽);這時 光線的方向都是一致的.

平行光
 float ambientStrength = 0.3;    //環境因子
    float specularStrength = 2.0;
    float reflectance = 256.0;

    //平行光方向
    vec3 paraLightDir = normalize(vec3(-0.2,-1.0,-0.3));

    //環境光
    vec3 ambient = ambientStrength * texture(Texture,outTexCoord).rgb;

    //漫反射
    vec3 norm = normalize(outNormal);
    vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo);    //當前頂點 至 光源的的單位向量
    float diff = max(dot(norm,paraLightDir),0.0);
    vec3 diffuse = diff * lightColor*texture(Texture,outTexCoord).rgb;

    //鏡面反射
    vec3 viewDir = normalize(viewPo - FragPo);
    vec3 reflectDir = reflect(-paraLightDir,outNormal);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir),0.0),reflectance);
    vec3 specular = specularStrength * spec * texture(specularTexture,outTexCoord).rgb;

    //光線衰弱
    float constantPara = 1.0f;
    float linearPara = 0.09f;
    float quadraticPara = 0.032f;
    float LFDistance = length(lightPo - FragPo);
    float lightWeakPara = 1.0/(constantPara + linearPara * LFDistance + quadraticPara * (LFDistance*LFDistance));

    vec3 res = ambient + diffuse + specular;

    FragColor = vec4(res,1.0);
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點光源

點光源就是比較正常的光源,光從光源四散發出,光線的向量就等於光源到物體的向量.

點光源
    float ambientStrength = 0.3;    //環境因子
    float specularStrength = 2.0;
    float reflectance = 256.0;

    float constantPara = 1.0f;    //常亮
    float linearPara = 0.09f;     //線性部分因數
    float quadraticPara = 0.032f; //二次項部分因數

    //環境光
    vec3 ambient = ambientStrength * texture(Texture,outTexCoord).rgb;

    //漫反射
    vec3 norm = normalize(outNormal);
    vec3 lightDir = normalize(lightPo - FragPo);    //當前頂點 至 光源的的單位向量

    //點光源
    float diff = max(dot(norm,lightDir),0.0);   //光源與法線夾角
    vec3 diffuse = diff * lightColor*texture(Texture,outTexCoord).rgb;

    //鏡面反射
    vec3 viewDir = normalize(viewPo - FragPo);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir,outNormal);

    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir),0.0),reflectance);
    vec3 specular = specularStrength * spec * texture(specularTexture,outTexCoord).rgb;

    float LFDistance = length(lightPo - FragPo);
    float lightWeakPara = 1.0/(constantPara + linearPara * LFDistance + quadraticPara * (LFDistance*LFDistance));

    vec3 res = (ambient + diffuse + specular)*lightWeakPara;

    FragColor = vec4(res,1.0);
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聚光源

聚光源的效果就相當於 手電筒,好比朝向指定範圍的點光源~

聚光源

在使用聚光源時,就需要指定 聚光朝向SpotDir,和切光角ϕ. 當光源指向點的向量和SpotDir的夾角大於ϕ時,則無法被光源照射到.

但是這樣的明暗邊界十分明顯,效果不夠真實

初始版本

這時,我們就需要將過渡邊緣平滑,這時 我們就需要引入兩個引數, 內錐角和外錐角. 外錐角就是切光角,而內錐角以內不需要平滑效果, 內錐角和外錐角之間需要平滑過度.
程式碼如下

    /(一些複雜的計算操作 應該讓CPU做,提高效率,不變的量也建議外部傳輸,避免重複計算)
    float inCutOff = cos(radians(10.0f));   //內錐角cos值
    float outCutOff = cos(radians(15.0f));  //外錐角cos值
    vec3 spotDir = vec3(-1.2f,-1.0f,-2.0f); //聚光朝向
    
    float theta = dot(lightDir,normalize(-spotDir));    //光源指向物體的向量 和 聚光朝向的 cos值
    float epsilon  = inCutOff - outCutOff;  //內外錐角cos差值
    
    //clamp(a,b,c);若b<a<c 則函式返回值為a 若不是,則返回值最小為b 最大為c
    // (theta - outCutOff)/epsilon 若theta的角度小於內錐角 則其值>=1 若theta的角度大於外錐角 則其值<=0 這樣光線就在內外錐角之間平滑變化.
    float intensity = clamp((theta - outCutOff)/epsilon,0.0,1.0);
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結果

光線衰弱

在現實情況中,光源發出的光線是會隨著距離的增長而衰減的, 而且也不是線性衰減的,表現為在距離光源近的這段距離衰減的較快, 在距離光源較遠的情況下衰減較慢.
通常使用這個公式來模擬光線衰減.

衰減公式

常數項通常保持為1.0，它的主要作用是保證分母永遠不會比1小，否則的話在某些距離上它反而會增加強度，這肯定不是我們想要的效果
一次項會與距離值相乘，以線性的方式減少強度
二次項會與距離的平方相乘，讓光源以二次遞減的方式減少強度。二次項在距離比較小的時候影響會比一次項小很多，但當距離值比較大的時候它就會比一次項更大了

效果展示
引數距離表
    float LFDistance = length(lightPo - FragPo);
    float lightWeakPara = 1.0/(constantPara + linearPara * LFDistance + quadraticPara * (LFDistance*LFDistance));

    vec3 res = (ambient + diffuse + specular)*lightWeakPara;
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光照貼圖

在一張紋理圖中,由於材質不同,所呈現的效果也會有所不同,如同下面這個箱子,金屬邊框和木頭在相同光源下所呈現的1效果肯定有所不同.

木箱紋理

這時為了在顯示光照效果時將其區分開來,則需要引入光照貼圖的概念~ 如下圖

鏡面光照貼圖

在該貼圖中,對應木頭部分為黑色vec3(0.0); 而在金屬邊框部分 則對應的為灰色, 這樣在計算 漫反射或者鏡面時,將其作為參考系數,則可以讓其呈現不同的效果.

vec3 spe = texture(specularTexture,outTexCoord).rgb;   //獲取鏡面光照貼圖
 
vec3 viewDir = normalize(viewPo - FragPo);
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir,outNormal);

float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir),0.0),spL.reflectance);
vec3 specular = point_specularStrength * spec * spe;    //使用光照貼圖紋理
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鏡面光照紋理效果

是可以看出箱子鐵框的鏡面效果 比 木頭的效果要強

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