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现实世界的光照是极其复杂的#xff0c;而且会受到诸多因素的影响#xff0c;这是以目前我们所拥有的处理能力无法模拟的。经典光照模型冯氏光照模型(Phong Lighting Model)通过单独计算光源成分得到综合光照效果#xff0c;然后添加…一、经典光照模型Phong模型
现实世界的光照是极其复杂的而且会受到诸多因素的影响这是以目前我们所拥有的处理能力无法模拟的。经典光照模型冯氏光照模型(Phong Lighting Model)通过单独计算光源成分得到综合光照效果然后添加到材质表面特定的点。冯光照模型的主要由3个部分组成环境(Ambient)、漫反射(Diffuse)和镜面(Specular)光照。
环境光照(Ambient Lighting) 即使在黑暗的情况下世界上也仍然有一些光亮所以物体永远不会是完全黑暗的。我们使用环境光照来模拟这种情况也就是无论如何永远都给物体一些颜色。计算这个光照并不涉及任何关于光的方向或人眼观察场景方向。漫反射光照(Diffuse Lighting)模拟一个发光物对物体的方向性影响(Directional Impact)。它是冯氏光照模型最显著的组成部分。面向光源的一面比其他面会更亮。Lambert方程是计算漫反射的一种方式。镜面光照(Specular Lighting)也成高光项模拟有光泽物体上面出现的亮点。镜面光照的颜色相比于物体的颜色更倾向于光的颜色。
二、Lambert漫反射模型
兰伯特光照模型是经验模型主要用于计算漫反射光照。漫反射有以下特点
反射强度与观察者的角度没有关系向任何方向的反射都是一样的反射强度与光线的入射角度有关系当入射光垂直于物体表面时光照最强随着光线与法线夹角变大反射强度逐渐变小。
兰伯特定律Lambert’s law反射光线的强度与表面法线和光源方向之间夹角的余弦值成正比夹角越大受到的光线照射量越少当夹角大于90度光线照射物体背面此时认为光照强度为0。 计算公式 B d C I c o s ( θ ) C I ( L ⋅ N ) B_{d}\mathbf{C} \mathbf{I}cos(\theta) \mathbf{C} \mathbf{I}(\mathbf{L}\cdot\mathbf{N}) BdCIcos(θ)CI(L⋅N) 其中 C—光的颜色 I —光照强度 L—光源方向入射光的反方向默认已单位化 N—物体的法向默认已单位化
三、Overloal创建材料
Overload中在左下角Assert菜单上右键可以找到创建材料的入口。其提供了Lambert材质创建完成后会在Material Editor面板找到其可配置参数。 Material Setting是渲染管线的配置比较通用。Shader Setting是其使用的Shader入参可以看到其可以设置一个漫反射贴图还可设置漫反射的光颜色。所谓材料就是Shaderunform参数贴图其中Shader是其核心计算逻辑。下面就分析一下其使用的Shader。
四、shader分析
Lambert材质使用的Shader在Lambert.glsl文件中其前半部分是Vertex Shader后半部分是Fragment Shader源码如下
#shader vertex
#version 430 corelayout (location 0) in vec3 geo_Pos; // 顶点坐标
layout (location 1) in vec2 geo_TexCoords; // 顶点纹理坐标
layout (location 2) in vec3 geo_Normal; // 顶点法线layout (std140) uniform EngineUBO // UBO方式传入MVP矩阵
{mat4 ubo_Model;mat4 ubo_View;mat4 ubo_Projection;vec3 ubo_ViewPos;float ubo_Time;
};out VS_OUT // 顶点着色器输出
{vec3 FragPos; // 顶点世界坐标系下的坐标vec3 Normal; // 顶点法线vec2 TexCoords; // 顶点纹理
} vs_out;void main()
{vs_out.FragPos vec3(ubo_Model * vec4(geo_Pos, 1.0)); // 使用模型矩阵计算全局坐标系下的坐标vs_out.Normal normalize(mat3(transpose(inverse(ubo_Model))) * geo_Normal); // 计算全局坐标系下的法线vs_out.TexCoords geo_TexCoords; // 纹理坐标不用变gl_Position ubo_Projection * ubo_View * vec4(vs_out.FragPos, 1.0); // 计算NDC坐标
}#shader fragment
#version 430 coreout vec4 FRAGMENT_COLOR;in VS_OUT
{vec3 FragPos;vec3 Normal;vec2 TexCoords;
} fs_in;uniform vec4 u_Diffuse vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0); // 漫反射光颜色
uniform sampler2D u_DiffuseMap; // 漫反射贴图
uniform vec2 u_TextureTiling vec2(1.0, 1.0);
uniform vec2 u_TextureOffset vec2(0.0, 0.0);const vec3 c_lightPosition vec3(-9000.0, 10000.0, 11000.0); // 光源位置
const vec3 c_lightDiffuse vec3(1.0, 1.0, 1.0); // 光源强度
const vec3 c_lightAmbient vec3(0.3, 0.3, 0.3); // 环境光强度vec3 Lambert(vec3 p_fragPos, vec3 p_normal)
{const float diffuse max(dot(p_normal, normalize(c_lightPosition - p_fragPos)), 0.0); // L点乘Nreturn clamp(c_lightDiffuse * diffuse c_lightAmbient, 0.0, 1.0); // 漫反射与环境光叠加
}void main()
{const vec4 diffuse texture(u_DiffuseMap, u_TextureOffset vec2(mod(fs_in.TexCoords.x * u_TextureTiling.x, 1), mod(fs_in.TexCoords.y * u_TextureTiling.y, 1))) * u_Diffuse; // 获取贴图颜色FRAGMENT_COLOR vec4(Lambert(fs_in.FragPos, fs_in.Normal) * diffuse.rgb, diffuse.a);
}Vertex Shader的入参有顶点坐标、纹理坐标、法线、模型视图投影矩阵。其逻辑很简单没有特殊操作计算法线、NDC坐标完事。 Fragment Shader中先从纹理中获取片元颜色并与设置的环境光颜色相乘这是最强的光颜色。如果贴图没有设置那么texture函数返回的是1.0至于原因前面的文章中分析过。函数Lambert是核心计算逻辑包含了Lambert计算公式其先计算L在与法线点乘最终结果就是 c o s ( θ ) cos(\theta) cos(θ)。漫反射的光强度与环境光强度都是写死的。两者累计用clamp保证最终结果在0到1之间修正了 c o s ( θ ) 0 cos(\theta) 0 cos(θ)0的情况。可见这种材质没有高光成分。
