第八課：基本著色 · opengl

# 第八課：基本著色 # 第八課：基礎光照模型在第八課中，我們將學習光照模型的基礎知識。包括： - 物體離光源越近會越亮 - 直視反射光時會有高亮（鏡面反射） - 當光沒有直接照射物體時，物體會更暗（漫反射） - 用環境光簡化計算不包括： - 陰影。這是個寬闊的主題，大到需要專題教程了。 - 類鏡面反射（包括水） - 任何復雜的光與物質的相互作用，像次表面散射（比如蠟） - 各向異性材料（比如拉絲的金屬） - 追求真實感的，基于物理的光照模型 - 環境光遮蔽（在洞穴里會更黑） - 顏色溢出（一塊紅色的地毯會映得白色天花板帶紅色） - 透明度 - 任何種類的全局光照（它包括了上面的所有）總而言之：只講基礎。 ## 法向過去的幾個教程中我們一直在處理法向，但是并不知道法向到底是什么。 ### 三角形法向一個平面的法向是一個長度為1并且垂直于這個平面的向量。一個三角形的法向是一個長度為1并且垂直于這個三角形的向量。通過簡單地將三角形兩條邊進行叉乘計算（向量a和b的叉乘結果是一個同時垂直于a和b的向量，記得？），然后歸一化：使長度為1。偽代碼如下： ``` <pre class="calibre16">``` triangle ( v1, v2, v3 ) edge1 = v2-v1 edge2 = v3-v1 triangle.normal = cross(edge1, edge2).normalize() ``` ``` 不要將法向(normal)和normalize()函數混淆。Normalize()函數是讓一個向量（任意向量，不一定必須是normal）除以其長度，從而使新長度為1。法向(normal)則是某一類向量的名字。 ### 頂點法向引申開來：頂點的法向，是包含該頂點的所有三角形的法向的均值。這很方便——因為在頂點著色器中，我們處理頂點，而不是三角形；所以在頂點處有信息是很好的。并且在OpenGL中，我們沒有任何辦法獲得三角形信息。偽代碼如下： ``` <pre class="calibre16">``` vertex v1, v2, v3, .... triangle tr1, tr2, tr3 // all share vertex v1 v1.normal = normalize( tr1.normal + tr2.normal + tr3.normal ) ``` ``` ### 在OpenGL中使用頂點法向在OpenGL中使用法向很簡單。法向是頂點的屬性，就像位置，顏色，UV坐標等一樣；按處理其他屬性的方式處理即可。第七課的loadOBJ函數已經將它們從OBJ文件中讀出來了。 ``` <pre class="calibre16">``` GLuint normalbuffer; glGenBuffers(1, &normalbuffer); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, normalbuffer); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, normals.size() * sizeof(glm::vec3), &normals[0], GL_STATIC_DRAW); ``` ``` 和 ``` <pre class="calibre16">``` // 3rd attribute buffer : normals glEnableVertexAttribArray(2); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, normalbuffer); glVertexAttribPointer( 2, // attribute 3, // size GL_FLOAT, // type GL_FALSE, // normalized? 0, // stride (void*)0 // array buffer offset ); ``` ``` 有這些準備就可以開始了。 ## 漫反射部分 ### 表面法向的重要性當光源照射一個物體，其中重要的一部分光向各個方向反射。這就是“漫反射分量”。（我們不久將會看到光的其他部分去哪里了） ![](https://box.kancloud.cn/2015-11-02_5636f30535e9f.png) 當一定量的光線到達某表面，該表面根據光到達時的角度而不同程度地被照亮。如果光線垂直于表面，它會聚在一小片表面上。如果它以一個傾斜角到達表面，相同的強度光照亮更大一片表面： ![](https://box.kancloud.cn/2015-11-02_5636f305417cc.png) 這意味著在斜射下，表面的點會較黑（但是記住，更多的點會被照射到，總光強度仍然是一樣的）也就是說，當計算像素的顏色時，入射光和表面法向的夾角很重要。因此有： ``` <pre class="calibre16">``` // Cosine of the angle between the normal and the light direction, // clamped above 0 // - light is at the vertical of the triangle -> 1 // - light is perpendicular to the triangle -> 0 float cosTheta = dot( n,l ); color = LightColor * cosTheta; ``` ``` 在這段代碼中，n是表面法向，l是從表面到光源的單位向量（和光線方向相反。雖然不直觀，但能簡化數學計算）。 ### 注意正負求cosTheta的公式有漏洞。如果光源在三角形后面，n和l方向相反，那么n.l是負值。這意味著colour=一個負數，沒有意義。因此這種情況須用clamp()將cosTheta賦值為0： ``` <pre class="calibre16">``` // Cosine of the angle between the normal and the light direction, // clamped above 0 // - light is at the vertical of the triangle -> 1 // - light is perpendicular to the triangle -> 0 // - light is behind the triangle -> 0 float cosTheta = clamp( dot( n,l ), 0,1 ); color = LightColor * cosTheta; ``` ``` ### 材質顏色當然，輸出顏色也依賴于材質顏色。在這幅圖像中，白光由綠、紅、藍光組成。當光碰到紅色材質時，綠光和藍光被吸收，只有紅光保留著。 ![](https://box.kancloud.cn/2015-11-02_5636f305530bd.png) 我們可以通過一個簡單的乘法來模擬： ``` <pre class="calibre16">``` color = MaterialDiffuseColor * LightColor * cosTheta; ``` ``` ### 模擬光源首先假設在空間中有一個點光源，它向所有方向發射光線，像蠟燭一樣。對于該光源，我們的表面收到的光通量依賴于表面到光源的距離：越遠光越少。實際上，光通量與距離的平方成反比： ``` <pre class="calibre16">``` color = MaterialDiffuseColor * LightColor * cosTheta / (distance*distance); ``` ``` 最后，需要另一個參數來控制光的強度。它可以被編碼到LightColor中（將在隨后的課程中講到），但是現在暫且只一個顏色值（如白色）和一個強度（如60瓦）。 ``` <pre class="calibre16">``` color = MaterialDiffuseColor * LightColor * LightPower * cosTheta / (distance*distance); ``` ``` ### 組合在一起為了讓這段代碼運行，需要一些參數（各種顏色和強度）和更多代碼。 MaterialDiffuseColor簡單地從紋理中獲取。 LightColor和LightPower通過GLSL的uniform變量在著色器中設置。 cosTheta由n和l決定。我們可以在任意坐標系中表示它們，因為都是一樣的。這里選相機坐標系，是因為它計算光源位置簡單： ``` <pre class="calibre16">``` // Normal of the computed fragment, in camera space vec3 n = normalize( Normal_cameraspace ); // Direction of the light (from the fragment to the light) vec3 l = normalize( LightDirection_cameraspace ); ``` ``` Normal\_cameraspace和LightDirection\_cameraspace在頂點著色器中計算，然后傳給片斷著色器： ``` <pre class="calibre16">``` // Output position of the vertex, in clip space : MVP * position gl_Position = MVP * vec4(vertexPosition_modelspace,1); // Position of the vertex, in worldspace : M * position Position_worldspace = (M * vec4(vertexPosition_modelspace,1)).xyz; // Vector that goes from the vertex to the camera, in camera space. // In camera space, the camera is at the origin (0,0,0). vec3 vertexPosition_cameraspace = ( V * M * vec4(vertexPosition_modelspace,1)).xyz; EyeDirection_cameraspace = vec3(0,0,0) - vertexPosition_cameraspace; // Vector that goes from the vertex to the light, in camera space. M is ommited because it's identity. vec3 LightPosition_cameraspace = ( V * vec4(LightPosition_worldspace,1)).xyz; LightDirection_cameraspace = LightPosition_cameraspace + EyeDirection_cameraspace; // Normal of the the vertex, in camera space Normal_cameraspace = ( V * M * vec4(vertexNormal_modelspace,0)).xyz; // Only correct if ModelMatrix does not scale the model ! Use its inverse transpose if not. ``` ``` 這段代碼看起來很牛，但它就是在第三課中學到的東西：矩陣。每個向量命名時，都嵌入了所在的空間名，這樣在跟蹤時更簡單。你也應該這樣做。 M和V分別是模型和視圖矩陣，并且是用與MVP完全相同的方式傳給著色器。 ### 運行時間現在有了編寫漫反射光源的一切必要條件。向前吧，刻苦努力地嘗試 ![](https://box.kancloud.cn/2015-11-02_5636f3089e7d7.gif) ### 結果只包含漫反射分量時，我們得到以下結果（再次為無趣的紋理道歉）： ![](https://box.kancloud.cn/2015-11-02_5636f3056a2bc.png) 這次結果比之前好，但感覺仍少了一些東西。特別地，Suzanne的背后完全是黑色的，因為我們使用clamp()。 ## 環境光分量環境光分量是最華麗的優化。我們期望的是Suzanne的背后有一點亮度，因為在現實生活中燈泡會照亮它背后的墻，而墻會反過來（微弱地）照亮物體的背后。但計算它的代價大得可怕。因此通常可以簡單地做點假光源取巧。實際上，直接讓三維模型發光，使它看起來不是完全黑即可。可這樣完成： ``` <pre class="calibre16">``` vec3 MaterialAmbientColor = vec3(0.1,0.1,0.1) * MaterialDiffuseColor; color = // Ambient : simulates indirect lighting MaterialAmbientColor + // Diffuse : "color" of the object MaterialDiffuseColor * LightColor * LightPower * cosTheta / (distance*distance) ; ``` ``` 來看看它的結果 ### 結果好的，效果更好些了。如果要更好的結果，可以調整(0.1, 0.1, 0.1)值。 ![](https://box.kancloud.cn/2015-11-02_5636f30580083.png) ## 鏡面反射分量反射光的剩余部分就是鏡面反射分量。這部分的光在表面有確定的反射方向。 ![](https://box.kancloud.cn/2015-11-02_5636f30599852.png) 如圖所示，它形成一種波瓣。在極端的情況下，漫反射分量可以為零，這樣波瓣非常非常窄（所有的光從一個方向反射），這就是鏡子。 *（的確可以調整參數值，得到鏡面；但這個例子中，鏡面唯一反射的只有光源，渲染結果看起來會很奇怪)* ``` <pre class="calibre16">``` // Eye vector (towards the camera) vec3 E = normalize(EyeDirection_cameraspace); // Direction in which the triangle reflects the light vec3 R = reflect(-l,n); // Cosine of the angle between the Eye vector and the Reflect vector, // clamped to 0 // - Looking into the reflection -> 1 // - Looking elsewhere -> < 1 float cosAlpha = clamp( dot( E,R ), 0,1 ); color = // Ambient : simulates indirect lighting MaterialAmbientColor + // Diffuse : "color" of the object MaterialDiffuseColor * LightColor * LightPower * cosTheta / (distance*distance) ; // Specular : reflective highlight, like a mirror MaterialSpecularColor * LightColor * LightPower * pow(cosAlpha,5) / (distance*distance); ``` ``` R是反射光的方向，E是視線的反方向（就像之前對“l”的假設）；如果二者夾角很小，意味著視線與反射光線重合。 pow(cosAlpha,5)用來控制鏡面反射的波瓣。可以增大5來獲得更大的波瓣。 ### 最終結果 ![](https://box.kancloud.cn/2015-11-02_5636f305a6df9.png) 注意到鏡面反射使鼻子和眉毛更亮。這個光照模型因為簡單，已被使用了很多年。但它有一些問題，所以被microfacet BRDF之類的基于物理的模型代替，后面將會講到。在下節課中，我們將學習怎么提高VBO的性能。將是第一節中級課程！