OpenGL进阶(十三) - GLSL光照(Lighting)

发布时间:2020-07-20 18:00:08 作者:拳四郎
来源:网络 阅读:1352

提要

       在上一篇文章中,我们介绍了简单的Shading,同时提出了一个光照模型,模拟了一个点光源,但是,关于光的故事还没有结束... 

       今天要学习的是方向光源(Directional Light),聚光灯,per pixel shading,halfway vector。

      关于光源的原理及数学描述,请参考:光线追踪(RayTracing)算法理论与实践(三)光照


方向光源

      方向光源就两个参数,方向和强度。

      还是简单的 ambient + diffuse + spec 光照模型。先看shader的代码。

basic.vert

#version 400 layout (location = 0) in vec3 VertexPosition;   layout (location = 1) in vec3 VertexNormal;    out vec3 LightIntensity;  struct LightInfo{ 	vec4 Direction; 	vec3 Intensity; };  struct MaterialInfo{ 	vec3 Ka; 	vec3 Kd; 	vec3 Ks; 	float Shininess; };  uniform LightInfo Light; uniform	MaterialInfo Material;  uniform mat4 ModelViewMatrix; uniform mat3 NormalMatrix; uniform mat4 ProjectionMatrix; uniform mat4 MVP;   void getEyeSpace(out vec3 norm, out vec4 position) { 	norm =  normalize(NormalMatrix * VertexNormal); 	position = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition, 1.0); }    vec3 ads(vec4 position, vec3 norm) { 	vec3 s; 	if(Light.Direction.w == 0.0) 		s = normalize(vec3(Light.Direction)); 	else 		s = normalize(vec3(Light.Direction - position)); 	vec3 v = normalize(vec3(-position)); 	vec3 r = reflect(-s, norm);  	return Light.Intensity * (Material.Ka + Material.Kd*max(dot(s,norm), 0.0) +  	       Material.Ks * pow(max(dot(r,v),0.0), Material.Shininess)); }  void main() { 	vec3 eyeNorm; 	vec4 eyePosition; 	getEyeSpace(eyeNorm, eyePosition); 	LightIntensity = ads(eyePosition, eyeNorm); 	 	gl_Position = MVP * vec4( VertexPosition, 1.0); }

在ads函数中,首先通过nomal矩阵将顶点法向量变换到视口坐标下,(nomal矩阵其实就是model-view矩阵的左上3x3的矩阵)然后通过model-view矩阵将顶点坐标转化为视口坐标系(eye coordinates)下。

接下来的ads用来计算光照模型下顶点的颜色,分别计算三个分量,然后相加。


basic.frag

#version 400  in vec3 LightIntensity;  void main(void) { 	gl_FragColor = vec4(LightIntensity, 1.0); 	//gl_FragColor = vec4(1.0,1.0,0.1, 1.0); }
这个就是将根据顶点shader传来的颜色对片段进行赋值。

在cgl.cpp的setUniform函数中对Uniform变量进行赋值。
void CGL::setUniform() {     mat4 projection = glm::perspective(45.0f, 4.0f / 3.0f, 0.1f, 100.0f);     mat4 mv = view * model;      prog.setUniform("Material.Kd", 0.9f, 0.5f, 0.3f);     prog.setUniform("Material.Ka", 0.9f, 0.5f, 0.3f);     prog.setUniform("Material.Ks", 0.8f, 0.8f, 0.8f);     prog.setUniform("Material.Shininess", 100.0f);     prog.setUniform("Light.Direction", vec4(1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f));     prog.setUniform("Light.Intensity", 1.0f, 1.0f, 1.0f);      prog.setUniform("ModelViewMatrix", mv);     prog.setUniform("NormalMatrix",mat3( vec3(mv[0]), vec3(mv[1]), vec3(mv[2]) ));     prog.setUniform("MVP", projection * mv);  }

渲染的效果如下:

OpenGL进阶(十三) - GLSL光照(Lighting)

可以很明显的感觉模型旋转时到表面光照的变化。


halfway vector 性能优化

        在前面的光照模型中,用于计算specular分量的公式如下:

OpenGL进阶(十三) - GLSL光照(Lighting)

其中 是反射光线的方向向量,v是往视口方向的向量,其中 r 的计算:

OpenGL进阶(十三) - GLSL光照(Lighting)

这个计算过程会非常耗时,我们可以用一个trick来改善一下。

定义一个 h (halfway vector)向量:

OpenGL进阶(十三) - GLSL光照(Lighting)

下图是 和其他向量的位置关系。

OpenGL进阶(十三) - GLSL光照(Lighting)

specular分量的计算就可以转化成:

OpenGL进阶(十三) - GLSL光照(Lighting)

         相比于计算 r ,的计算相对比较简单,而 h 和 n 之间的夹角与 和 r 之间的夹角大小几乎相同!那就意味着我们可以用 h.n 来代替 r.v 从而可以带利用 halfway vector 来获得性能上的一些提升。虽然效果上会有那么小小的不同。

         后面的灯光的计算都会用到这个优化。

聚光灯 Spotlight

        这里的采用一个最简单的聚光灯模型:

OpenGL进阶(十三) - GLSL光照(Lighting)


       灯光的属性有:位置,强度,方向,衰减(exponent),裁剪角度。

       实现起来也比较简单,在投射角内的物体,渲染方式和点光源的计算一样,投射角之外的顶点,着色的时候只有ambient。

        还是采用我们比较熟悉的per vertex shading 方式。在vert中定义聚光灯:

//baisc.vert #version 400 layout (location = 0) in vec3 VertexPosition;   layout (location = 1) in vec3 VertexNormal;    out vec3 LightIntensity;  struct SpotLightInfo{ 	vec4 position; 	vec3 direction; 	vec3 intensity; 	float exponent; 	float cutoff; };  struct MaterialInfo{ 	vec3 Ka; 	vec3 Kd; 	vec3 Ks; 	float Shininess; };  uniform SpotLightInfo Spot; uniform	MaterialInfo Material;  uniform mat4 ModelViewMatrix; uniform mat3 NormalMatrix; uniform mat4 ProjectionMatrix; uniform mat4 MVP;   void getEyeSpace(out vec3 norm, out vec4 position) { 	norm =  normalize(NormalMatrix * VertexNormal); 	position = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition, 1.0); }    vec3 adsSpotLight(vec4 position, vec3 norm) { 	vec3 s = normalize(vec3(Spot.position - position)); 	float angle = acos(dot(-s, normalize(Spot.direction))); 	float cutoff = radians(clamp(Spot.cutoff, 0.0, 90.0)); 	vec3 ambient = Spot.intensity * Material.Ka; 	 	if(angle < cutoff){ 		float spotFactor = pow(dot(-s, normalize(Spot.direction)), Spot.exponent); 		vec3 v = normalize(vec3(-position)); 		vec3 h = normalize(v + s); 		return ambient + spotFactor * Spot.intensity * (Material.Kd * max(dot(s, norm),0.0) 		      + Material.Ks * pow(max(dot(h,norm), 0.0),Material.Shininess));  	} 	else 	{ 		return ambient;  	} 	        }  void main() { 	vec3 eyeNorm; 	vec4 eyePosition; 	getEyeSpace(eyeNorm, eyePosition); 	 	LightIntensity = adsSpotLight(eyePosition, eyeNorm); 	 	gl_Position = MVP * vec4( VertexPosition, 1.0); }

几个GLSL中的内置函数在这里说明一下。

genType clamp( genType x, genType minVal, genType maxVal);

获取三个数中第二大的数。

genType radians(genType degrees);

将角度转换成弧度。

adsSpotLight是主要的函数,先计算顶点和光源方向之间的夹角,判断顶点是否在照射的区域,然后分别求得最终的颜色。


片段shader还是那样:

#version 400  in vec3 LightIntensity;  void main(void) { 	gl_FragColor = vec4(LightIntensity, 1.0); }

uniform变量的赋值:

void CGL::setUniform() {     //model = glm::rotate(this->model, 10.0f, vec3(0.0f,1.0f,0.0f));     mat4 projection = glm::perspective(45.0f, 4.0f / 3.0f, 0.1f, 100.0f);     mat4 mv = view * model;     mat3 normalMatrix = mat3( vec3(view[0]), vec3(view[1]), vec3(view[2]) );      prog.setUniform("Material.Kd", 0.9f, 0.5f, 0.3f);     prog.setUniform("Material.Ka", 0.9f, 0.5f, 0.3f);     prog.setUniform("Material.Ks", 0.8f, 0.8f, 0.8f);     prog.setUniform("Material.Shininess", 100.0f);      vec4 lightPos = vec4(1.0f, 5.0f, 20.0f, 1.0f);    // prog.setUniform("Spot.position", lightPos);     prog.setUniform("Spot.position", view * lightPos);     prog.setUniform("Spot.direction", normalMatrix * vec3(-10.0,0.0,-40.0) );     //prog.setUniform("Spot.direction", vec3(10.9f,10.9f,10.9f)  );     prog.setUniform("Spot.intensity", vec3(0.9f,0.9f,0.9f) );     prog.setUniform("Spot.exponent", 30.0f );     prog.setUniform("Spot.cutoff", 15.0f );      prog.setUniform("ModelViewMatrix", mv);     prog.setUniform("NormalMatrix",normalMatrix);     prog.setUniform("MVP", projection * mv);  } 

       在这里给Spot.position赋值的时候不是 prog.setUniform("Spot.position", lightPos); 而是prog.setUniform("Spot.position", view * lightPos),因为在shader中的计算都是在视口坐标下进行的,这样做是为了统一坐标。Spot.direction的赋值也是一样。也可以把坐标转换这一步放到shader中去做。

最终效果如下:

OpenGL进阶(十三) - GLSL光照(Lighting)


逐像素着色 per pixel shading

        相对与前面将主要计算工作放在顶点shader中的 per vertex shading ,per pixel shading 指的是将计算放到片段shader中,这样可以带来更加真实可感的渲染效果。

basic2.vert

#version 400 layout (location = 0) in vec3 VertexPosition;   layout (location = 1) in vec3 VertexNormal;    out vec4 Position; out vec3 Normal;   uniform mat4 ModelViewMatrix; uniform mat3 NormalMatrix; uniform mat4 ProjectionMatrix; uniform mat4 MVP;   void getEyeSpace(out vec3 norm, out vec4 position) { 	norm =  normalize(NormalMatrix * VertexNormal); 	position = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition, 1.0); }   void main() { 	getEyeSpace(Normal, Position); 	gl_Position = MVP * vec4( VertexPosition, 1.0); }

basic2.frag 

#version 400  in vec4 Position; in vec3 Normal;  struct SpotLightInfo{ 	vec4 position; 	vec3 direction; 	vec3 intensity; 	float exponent; 	float cutoff; };  struct MaterialInfo{ 	vec3 Ka; 	vec3 Kd; 	vec3 Ks; 	float Shininess; };  uniform SpotLightInfo Spot; uniform	MaterialInfo Material;  vec3 adsSpotLight(vec4 position, vec3 norm) { 	vec3 s = normalize(vec3(Spot.position - position)); 	float angle = acos(dot(-s, normalize(Spot.direction))); 	float cutoff = radians(clamp(Spot.cutoff, 0.0, 90.0)); 	vec3 ambient = Spot.intensity * Material.Ka; 	 	if(angle < cutoff){ 		float spotFactor = pow(dot(-s, normalize(Spot.direction)), Spot.exponent); 		vec3 v = normalize(vec3(-position)); 		vec3 h = normalize(v + s); 		return ambient + spotFactor * Spot.intensity * (Material.Kd * max(dot(s, norm),0.0) 		      + Material.Ks * pow(max(dot(h,norm), 0.0),Material.Shininess));  	} 	else 	{ 		return ambient;  	} 	        }  void main(void) { 	gl_FragColor = vec4(adsSpotLight(Position, Normal), 1.0); 	//gl_FragColor = vec4(1.0,1.0,0.5, 1.0); }

看一下渲染效果:

OpenGL进阶(十三) - GLSL光照(Lighting)

最终的效果还是有一些差别,特别是光线交界的地方。


代码下载

OpenGLPro13


参考

OpenGL 4.0 Shading Language Cookbook





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