LearnOpenGL（十一）之光源

一、投光物

将光投射(Cast)到物体的光源叫做投光物(Light Caster)。

二、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，我们可以称这些光为平行光。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：

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，并直接使用光的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);
  ...
}

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。

然后，定义光源的方向就可以了：

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

三、点光源

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，如生活中的灯泡和火把：

其实，我们一直都在使用一个（简化的）点光源。我们在给定位置有一个光源，它会从它的光源位置开始朝着所有方向散射光线。然而，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。现在我们要做的就是将光随距离来衰减。

四、衰减

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)。在现实世界中，灯在近处通常会非常亮，但随着距离的增加光源的亮度一开始会下降非常快，但在远处时剩余的光强度就会下降的非常缓慢了。所以，我们可以通过以下公式实现该效果：

d 代表片段到光源的距离

常数项 Kc 通常是1.0，它的作用是保证分母永远不会比1小，因为它可以利用一定的距离增加亮度，这个结果不会影响到我们所寻找的。

一次项 Kl 用于与距离值相乘，这会以线性的方式减少亮度。

二次项 Kq 用于与距离的平方相乘，为光源设置一个亮度的二次递减。二次项在距离比较近的时候相比一次项会比一次项更小，但是当距离更远的时候比一次项更大。

为了实现衰减，在片段着色器中我们需要公式中的常数项、一次项和二次项这3个值：

struct Light {
    vec3 position;  

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;

    float constant;
    float linear;
    float quadratic;
};

然后，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);

接着，计算距光源的距离，进而计算衰减值：

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

最后，将包含这个衰减值到光照计算中，将它分别乘以环境光、漫反射和镜面光颜色：

ambient  *= attenuation; 
diffuse  *= attenuation;
specular *= attenuation;

运行效果如下：

五、聚光

聚光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，如路灯或手电筒。

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：

LightDir：从片段指向光源的向量。

SpotDir：聚光所指向的方向。

ϕ：定义聚光半径的切光角。每个落在这个角度之外的，聚光都不会照亮。

θ：LightDir向量和SpotDir向量之间的角度。θ值应该比Φ值小，这样才会在聚光内。

我们大致要做的是，计算LightDir向量和SpotDir向量的点乘，然后再和切光角ϕ对比，以手电筒为例。

手电筒(Flashlight)是一个坐落在观察者位置的聚光，通常瞄准玩家透视图的前面。

我们需要为片段着色器提供聚光的位置向量（来计算光的方向坐标），聚光的方向向量和切光角：

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

设置适当的值传给着色器：

glUniform3f(lightPosLoc, camera.Position.x, camera.Position.y, camera.Position.z);
glUniform3f(lightSpotdirLoc, camera.Front.x, camera.Front.y, camera.Front.z);
glUniform1f(lightSpotCutOffLoc, glm::cos(glm::radians(12.5f)));

最后，计算θ值，用它和ϕ值对比，以决定我们是否在或不在聚光的内部：

void main()
{
    vec3 lightDir=normalize(FragPos-light.position);
    float theta = dot(lightDir, normalize(light.direction));
    vec3 diffuseTexColor = vec3(texture(material.diffuse,TexCoords));
    vec3 specularTexColor = vec3(texture(material.specular,TexCoords));
    if(theta > light.cutOff)
    {
        // 执行光照计算
        float distance = length(light.position - FragPos);
        float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance +
                                   light.quadratic * (distance * distance));
        // ambient
        vec3 ambient = light.ambient * diffuseTexColor;
        // diffuse
        vec3 norm = normalize(Normal);
        vec3 lightDir = normalize(light.position-FragPos);
        float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
        vec3 diffuse = diff * light.diffuse * diffuseTexColor;
        // specular
        vec3 viewDir = normalize(light.position - FragPos);
        vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
        float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
        vec3 specular = spec * light.specular * specularTexColor;

//        ambient *= attenuation;
        diffuse *= attenuation;
        specular *= attenuation;

        vec3 result = (ambient + diffuse + specular);
        FragColor = vec4(result, 1.0);
    }
    else // 否则使用环境光，使得场景不至于完全黑暗
        FragColor = vec4(light.ambient * diffuseTexColor, 1.0);

}

效果如下：