OpenGL进阶(十三) - GLSL光照（Lighting）
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：光线追踪(RayTracing)算法理论与实践(三)光照
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 400 layout (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; uniformMaterialInfo 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 400 in 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 400 layout (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; uniformMaterialInfo 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 400 in 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：
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 400 layout (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 400 in 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; uniformMaterialInfo 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：
最终的效果还是有一些差别，特别是光线交界的地方。
OpenGLPro13
OpenGL 4.0 Shading Language Cookbook
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