学习OpenGL：冯氏光照模型

学习OpenGL：冯氏光照模型

在现实世界中光照使得我们能够看见物体的颜色，物体颜色的不同本质上是因为其表面对光的吸收和反射的能力不同。光的三原色是红绿蓝（RGB: Red, Green, Blue），因此我们一般用一个三维向量来描述物体的颜色。假设一个物体 A A A 的颜色向量为 V A = ( R A , G A , B A ) V_A=(R_A,G_A,B_A) VA​=(RA​,GA​,BA​)， R A , G A , B A ∈ [ 0.0 , 1.0 ] R_A,G_A,B_A in [0.0, 1.0] RA​,GA​,BA​∈[0.0,1.0]，这表示的意义是：

物体 A A A 对红光的反射比率为 R A R_A RA​，即光照在物体 A A A 上会有 1 − R A 1-R_A 1−RA​ 比率的红光被吸收，绿蓝光同理

因此，假设只有一束光 V L = ( R L , G L , B L ) V_L=(R_L,G_L,B_L) VL​=(RL​,GL​,BL​) 照射在物体 A A A 上，然后被我们看见，我们看到的物体 A A A 的颜色就是：
C o l o r = V L ∗ V A Color=V_L * V_A Color=VL​∗VA​
这里的 ∗ * ∗ 表示的是各个分量相乘，即 V L ∗ V A = ( R L R A , G L G A , B L B A ) V_L*V_A=(R_LR_A,G_LG_A,B_LB_A) VL​∗VA​=(RL​RA​,GL​GA​,BL​BA​) 。

现实世界中的太阳光的颜色向量为 ( 1.0 , 1.0 , 1.0 ) (1.0,1.0,1.0) (1.0,1.0,1.0)，因此我们看到的物体的颜色就是它本身的颜色，但是实际上 RGB 表示法描述的是物体对光的吸收率，当光的 RGB 组成不同时，我们看到的颜色也不一样。

鉴于光照在现实世界的重要性，虚拟世界也应当模拟光照的效果，才能尽可能接近真实。在现实生活中我们存在许许多多的光源，比如太阳、台灯、蜡烛等等，还有物体反射的光照在另外一个物体表面还会再次反射，这么复杂的系统很难通过计算机精准地模拟出来。因此实际使用的光照模型都是基于物理特性对现实的近似，其中一种是冯氏光照模型（Phong Lighting Model），它由三个光照分量组成：

• 环境光照（Ambient Lighting)：用于综合那些细微的不易于处理的“小光照”，将它们的影响合计为一个环境光照常量，因此物体在没有主光源的情况下也存在一些颜色。
• 漫反射光照（Diffuse Lighting）：模拟物体对光源的漫反射，
• 镜面光照（Specular Lighting）：模拟物体对光源的镜面反射

在这个光照模型中，同一个物体对三种光照分量的反射能力不同，因此我们可以定义物体的材质（Materials）。一个物体的材质包括：

• Ambient ： M A = ( R A , G A , B A ) M_A=(R_A,G_A,B_A) MA​=(RA​,GA​,BA​)，描述物体对环境光照的反射能力；
• Diffuse ： M D = ( R D , G D , B D ) M_D=(R_D,G_D,B_D) MD​=(RD​,GD​,BD​)，描述物体对漫反射光照的反射能力；
• Specular ： M S = ( R S , G S , B S ) M_S=(R_S,G_S,B_S) MS​=(RS​,GS​,BS​)，描述物体对镜面光照的反射能力；
• Shininess ：描述物体的反光度，反光度越高，高光点越小越亮

同样的，还需要定义光照（Lighting），一个光照包括：

• Ambient ： L A = ( R A , G A , B A ) L_A=(R_A,G_A,B_A) LA​=(RA​,GA​,BA​)，描述光照的环境光照分量；
• Diffuse ： L D = ( R D , G D , B D ) L_D=(R_D,G_D,B_D) LD​=(RD​,GD​,BD​)，描述光照的漫反射光照分量；
• Specular ： L S = ( R S , G S , B S ) L_S=(R_S,G_S,B_S) LS​=(RS​,GS​,BS​)，描述光照的镜面反射光照分量

在上述的模型定义下，我们考虑光照和材质对最终显示的颜色的影响：

1. 环境光照部分： a m b i e n t = L i g h t i n g . A m b i e n t ∗ M a t e r i a l s . A m b i e n t ambient=Lighting.Ambient * Materials.Ambient ambient=Lighting.Ambient ∗ Materials.Ambient ；

2. 漫反射光照部分：

   漫反射的强弱与光的入射角有关，因此从这部分开始我们引入三个已知变量，他们分别是被光照点坐标 f r a g P o s fragPos fragPos、被光照点法向量 f r a g N o r m a l fragNormal fragNormal（单位向量）和光源坐标 l i g h t P o s lightPos lightPos，由此可以得到入射光（反方向的）单位向量 l i g h t D i r = n o r m a l i z e ( l i g h t P o s − f r a g P o s ) lightDir=normalize(lightPos-fragPos) lightDir=normalize(lightPos−fragPos)​，然后将光照向量和法向量的内积 d i f f = m a x ( d o t ( l i g h t D i r , f r a g N o r m a l ) , 0 ) diff=max(dot(lightDir,fragNormal),0) diff=max(dot(lightDir,fragNormal),0) 当做漫反射系数（当内积为负数没有意义所以取0），得到漫反射部分 d i f f u s e = d i f f ∗ L i g h t . D i f f u s e ∗ M a t e r i a l s . D i f f u s e diffuse=diff*Light.Diffuse*Materials.Diffuse diffuse=diff∗Light.Diffuse∗Materials.Diffuse 。

3. 镜面光照部分：

   镜面反射还要跟观察者扯上关系，实际生活中应该也有体会，就算物体和光源不动，观察者移动的时候高光点也会跟着移动。所以我们引入变量 v i e w P o s viewPos viewPos​ 表示观察者的位置，然后通过反射向量和观察向量的夹角去控制光照强度。反射光线通过 r e f l e c t D i r = r e f l e c t ( − l i g h t D i r , f r a g N o r m a l ) reflectDir = reflect(-lightDir,fragNormal) reflectDir=reflect(−lightDir,fragNormal) 求得，而 v i e w D i r = n o r m a l i z e ( v i e w P o s − f r a g P o s ) viewDir=normalize(viewPos-fragPos) viewDir=normalize(viewPos−fragPos)，因为两者都是单位向量，所以它们的夹角就等于它们的内积，然后计算镜面反射系数 s p e c = m a x ( d o t ( v i e w D i r , r e f l e c t D i r ) , 0 ) M a t e r i a l s . S h i n i n e s s spec=max(dot(viewDir,reflectDir),0)^{Materials.Shininess} spec=max(dot(viewDir,reflectDir),0)Materials.Shininess，最终的镜面光照部分 s p e c u l a r = s p e c ∗ L i g h t . S p e c u l a r ∗ M a t e r i a l s . S p e c u l a r specular=spec*Light.Specular*Materials.Specular specular=spec∗Light.Specular∗Materials.Specular 。

   可以看到，镜面反射系数不仅跟夹角 α alpha α 有关（夹角越小系数越大，光照强度越大），还跟反光度 Shininess 有关，反光度越大，当 α alpha α 小一点点时对最终结果的影响就越大，所以光的集中程度越高。

4. 最终颜色： r e s u l t = a m b i e n t + d i f f u s e + s p e c u l a r result = ambient+diffuse+specular result=ambient+diffuse+specular 。

在OpenGL中，我们在片段着色器（Fragment Shader）中指定每一个片段的颜色，着色器代码如下：

#version 430 corestruct Material
{vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;float shininess;    // 反光度：越高，反光能力越强，散射的越少，高光点越小
};struct Light
{vec3 position;vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;
};in vec3 fragNormal;	// 法向量，从vertex shader中获得
in vec3 FragPos;	// 片段位置，从vertex shader中获得out vec4 FragColor;uniform vec3 viewPos;
uniform Material material;
uniform Light light;void main()
{// 环境光照vec3 ambient = light.ambient * material.ambient;// 漫反射光照vec3 norm = normalize(fragNormal);vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);vec3 diffuse = (diff * material.diffuse) * light.diffuse;// 镜面光照vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);vec3 specular = (material.specular * spec) * light.specular;// 混合 冯氏光照模型vec3 result = ambient + diffuse + specular;FragColor = vec4(result, 1.0);
}