从本节开始,我们可以开始学习OpenGL中包括光照、模型加载等主题。光照是一个复杂的主题,本节学习简单的Phong reflection model.本节示例程序https://github.com/wangdingqiao/noteForOpenGL/tree/master/lighting。
本节内容整理自:
1. learnopengl.com Basic Lighting
2.Modern OpenGL 06 – Diffuse Point Lighting
通过本节可以了解到
- 颜色与光照的关系
- 简单实现的Phong Reflection Model
- Gouraud shading和Phong Shading的对比
颜色与光照的关系
我们看到的物体的颜色,实际上是光照射物体后反射的光进入眼睛后感受到的颜色,而不是物体实际材料的颜色。太阳的白光包含了所有我们可以感知的颜色,可以将这个白光通过棱镜折射后分离为各种颜色的光。一束白光照射到红颜色的车身上,光经过车身,一部分被吸收,一部分被反射进入人的眼睛,我们感知到的颜色就是这个反射后进入眼睛的光的颜色,如下图左所示:
图中,红色的表面吸收了蓝色和绿色成分,将红色反射出来。颜色吸收和反射的过程可以表示为:
LightIntensity∗ObjectColor=Reflectcolor
计算为:
(R,G,B)∗(X,Y,Z)=(XR,YG,ZB)
则上面的过程表示为:
(1,1,1)∗(1,0,0)=(1,0,0)
如果将cyan (blue + green) 颜色光束照射到车身,车身会是什么颜色呢?会是黑色的,因为 (0,1,1)∗(1,0,0)=(0,0,0) ,这个过程如上图右所示
如果将cyan (blue + green) 颜色照射到magenta (red + blue) 颜色的表面,那么结果会是什么颜色呢?同理,我们可以得到结果颜色为蓝色
在实际场景中,光的强度的各个分量可以在[0,1]之间变化,材料表面的颜色分量也可以在[0,1]之间变化,例如光照射到一个玩具表面的计算过程为:
- 1
- 2
- 3
Phong Reflection Model
要模拟现实的光照是困难的,例如实际光照中,一束光可以经过场景中若干物体反射后,照射到目标物体上,也可以是直接照射到目标物体上。其中经过其他物体反射后再次照射到目标物体上,这是一个递归的过程,将会无比复杂。因此实际模拟光照过程中,总是采用近似模型去接近现实光照。Phong Reflection Model是经典的光照模型,它计算光照包括三个部分:环境光+漫反射光+镜面光,一共三个成分,如下图所示(来自wiki ,作者Brad Smith):
环境光成分
环境光是场景中光源给定或者全局给定的一个光照常量,它一般很小,主要是为了模拟即使场景中没有光照时,也不是全部黑屏的效果。场景中总有一点环境光,不至于使场景全部黑暗,例如远处的月亮,远处的光源。
环境光的实现为:
- 1
- 2
- 3
给定环境光后,场景效果如下图所示:
这里使用了两个着色器绘图。一个着色器用来绘制光源,光源用一个缩小的立方体来模拟,如图中白色立方体所示;另一个着色器用来绘制我们的物体,这里只显示了一个大的立方体。当场景中只有环境光时,立方体只能很暗的显示。
漫反射光成分
漫反射光成分,是光照中的一个主要成分。漫反射光强度与光线入射方向和物体表面的法向量之间的夹角 θ 相关。当 θ = 0时,物体表面正好垂直于光线方向,这是获得的光照强度最大;当 θ = 90时物体表面与光线方向平行,此时光线照射不到物体,光的强度最弱;当 θ>90 后,物体的表面转向到光线的背面,此时物体对应的表面接受不到光照。入射角度如下图所示:
这里需要的向量包括:
1.光源和顶点位置之间的向量L 需要计算。
2.法向量N 通过顶点属性里指定 经过模型和视变换后需要重新计算。
作为本节的简单示例程序,我们在顶点属性中指定法向量,例如立方体的正面ABCD这个面的顶点属性如下所示:
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
和顶点位置属性一样,我们需要将法向量数据发送到GPU,并且使用glVertexAttribPointer告诉OpenGL数据的解析方式。这些内容在前面已经介绍了,这里不再赘述。
将顶点属性传递到着色器后,需要在着色器中开始我们的光照计算。有两种方法执行向量L和N的计算。一种方式是在世界坐标系中计算,另一种是在相机坐标系中计算,两种方法都可以实现。
在世界坐标系中计算光照
这里以在世界坐标系中计算L和N为例进行说明,在相机坐标系中计算也有类似操作。在世界坐标系中,计算L时,光源lightPos是在世界坐标系中指定的位置,直接使用即可。顶点位置需要变换到世界坐标系中,利用Model矩阵即可,使用式子:
FragPos=vec3(model∗vec4(position,1.0));(变换后顶点位置)
在计算N时需要注意,我们不能直接利用 Model∗normal 来获取变换后的法向量,应该使用式子:
Normal=mat3(transpose(inverse(model)))∗normal(变换后法向量) 。
这个式子的具体推导过程,可以参考The Normal Matrix。
综上所述,顶点着色器中计算顶点位置和法向量代码为:
- 1
- 2
- 3
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- 7
- 8
- 9
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- 12
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- 18
- 19
- 20
- 21
在片元着色器中,计算漫反射光成分的代码为:
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
这里使用max(dot(lightDir, normal), 0.0)主要是为了防止当光线和法向量夹角大于90后,取值为负的情况,因此使用max保证漫反射光照系数在[0.0,1.0]范围内。
添加了漫反射光成分后的效果如下图所示:
镜面反射光成分
镜面光成分模拟的是物体表面光滑时反射的高亮的光,镜面光反映的通常是光的颜色,而不是物体的颜色。计算镜面光成分时,要考虑光源和顶点位置之间向量L、法向量N、反射方向R、观察者和顶点位置之间的向量V之间的关系,如下图所示(来自:Lighting and Material):
当R和V的夹角 θ 越小时,人眼观察到的镜面光成分越明显。镜面反射系数定义为:
specFactor=cos(θ)s
其中 s 表示为镜面高光系数(shininess ),它的值一般取为2的整数幂,值越大则高光部分越集中,例如下面图中,测试了几种不同的高光系数,效果如下所示:
计算镜面光成分过程为:
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
这里需要注意的是,利用reflect函数计算光的出射方向时,要求入射方向指向物体表面位置,因此这里翻转了lightDir,计算为:
- 1
将上述三种光成分叠加后,成为最终物体的颜色,片元着色器中实现为:
- 1
- 2
绘制效果如下图所示:
per-vertex 和per-fragment实现光照的对比
上面我们实现的光照计算是在片元着色器中进行的,这种是基于片元计算的,称之为Phong shading。在过去OpenGL编程中实现的是在顶点着色器中进行光照计算,这是基元顶点的计算的,称之为Gouraud Shading。Gouraud Shading和Phong shading,两者的效果对比如下图所示(来自learnopengl.com Basic Lighting):
基于顶点计算光照的优势在于顶点数目比片元数目少,因此计算速度快,但是基于顶点计算的光照没有基元片元的真实,主要是顶点计算时,只计算了顶点的光照,而其余片元的光照由插值计算得到,这种插值后的光照显得不是很真实,需要使用更多的顶点来加以完善。例如下面的图中,分别显示了使用少量和大量顶点的基于顶点的光照计算效果:
使用基于片元的光照计算时能够获取更为平滑的光照效果。实现基元顶点的光照计算过程,即将上述在片元着色器中的光照计算过程迁移到顶点着色器中执行。
Phong不能处理的情况
我们知道,Phong模型在计算镜面光系数为:
- 1
这里的计算由反射向量和观察向量决定,当两者的夹角 θ 超过90时,截断为0.0,则没有了镜面光成分。因此Phong模型能处理的是下面的左图中( θ≤90 )的情况,而对于右图中( θ>90 )的情况则镜面光成分计算为0(来自Advanced-Lighting)。
而右图的这种情况实际上是存在的,将镜面光成分取为0,没有很好地体现实际光照情况。例如下面的图表示的是,镜面光系数为1.0,法向量为(0.0,1.0,0.0)的平面位置在-0.5,光源在原点时,观察者在(0,0,4.0)位置时,光照展示的情形:
这里我们看到,Phong的镜面光成分,在边缘时立马变暗,这种对比太明显,不符合实际情形。
Blinn-Phong
Blinn-Phong模型镜面光的计算,采用了半角向量(half-angle vector),这个向量是光照向量L和观察向量V的取中向量,如下图所示(来自Blinn-Phong Model):
计算为: H=L+V||L+V||
当观察向量与反射向量越接近,那么半角向量与法向量N越接近,观察者看到的镜面光成分越强。
对比Phong和Blinn-Phong计算镜面光系数为:
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
使用半角向量后,保证了半角向量H与法向量N的夹角在90度范围内,能够处理上面对比图中右图所示的情形。下面左是镜面高光系数为0.5时使用Blinn-Phong渲染效果:
右图是镜面高光系数为0.5时使用Phong渲染效果:
一般地,使用Blinn-Phong模型时要得到相同强度的镜面光,镜面系数需要为Phong模型的2-4倍,例如Phong模型的镜面高光系数设置为0.8,可以设置Blinn-Phong模型的系数为32.0。
关于Phong和Blinn-Phong模型更多地对比,可以参考Relationship between Phong and Blinn lighting model。
最后的说明
在计算光照的过程中,注意使用的向量一定要单位化,因为 cosθ 值的计算依赖于两个参与点积的向量是单位向量这一事实,否则计算会出错。另外在世界坐标系还是在相机坐标系中进行光照计算都是可以的,这个取决于你的喜好,但是要注意将顶点位置、法向量都变换到同一个坐标系下进行光照计算。
本节实现的Phong reflection model还不够完善,一方面从光源角度看,属于点光源,但是缺少随着距离的衰减;另一方面从物体的材质角度看,没有反映出物体不同部分对光感受的强度不同这一特点,需要使用材质属性加以改进。这些内容将放在下一节中进行学习。
今天的文章OpenGL学习: 光照系列1-光照基础(phong模型)[通俗易懂]分享到此就结束了,感谢您的阅读。
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