Learn OpenGL 08 颜色+基础光照+材质+光照贴图

我们在现实生活中看到某一物体的颜色并不是这个物体真正拥有的颜色，而是它所反射的(Reflected)颜色。物体的颜色为物体从一个光源反射各个颜色分量的大小。

创建光照场景

首先需要创建一个光源，因为我们以及有一个立方体数据，我们只需要进行模型变换就可以将它变成我们的光源

unsigned int lightVAO;
glGenVertexArrays(1, &lightVAO);
glBindVertexArray(lightVAO);
// 只需要绑定VBO不用再次设置VBO的数据，因为箱子的VBO数据中已经包含了正确的立方体顶点数据
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
// 设置灯立方体的顶点属性（对我们的灯来说仅仅只有位置数据）
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);

要注意的是，当我们修改顶点或者片段着色器后，灯的位置或颜色也会随之改变，这并不是我们想要的效果。我们不希望灯的颜色在接下来的教程中因光照计算的结果而受到影响，而是希望它能够与其它的计算分离。我们希望灯一直保持明亮，不受其它颜色变化的影响（这样它才更像是一个真实的光源）。

为了实现这个目标，我们需要为灯的绘制创建另外的一套着色器，从而能保证它能够在其它光照着色器发生改变的时候不受影响。顶点着色器与我们当前的顶点着色器是一样的，所以你可以直接把现在的顶点着色器用在灯上。灯的片段着色器给灯定义了一个不变的常量白色，保证了灯的颜色一直是亮的：

然后再渲染完物体以后把光源渲染出来

       lightShader.use();lightShader.setMat4("projection", projection);lightShader.setMat4("view", view);model = glm::mat4(1.0f);model = glm::translate(model, lightPos);model = glm::scale(model, glm::vec3(0.2f)); // a smaller cubelightShader.setMat4("model", model);glBindVertexArray(lightVAO);glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

基础光照模型

• 环境光照(Ambient Lighting)：即使在黑暗的情况下，世界上通常也仍然有一些光亮（月亮、远处的光），所以物体几乎永远不会是完全黑暗的。为了模拟这个，我们会使用一个环境光照常量，它永远会给物体一些颜色。
• 漫反射光照(Diffuse Lighting)：模拟光源对物体的方向性影响(Directional Impact)。它是冯氏光照模型中视觉上最显著的分量。物体的某一部分越是正对着光源，它就会越亮。
• 镜面光照(Specular Lighting)：模拟有光泽物体上面出现的亮点。镜面光照的颜色相比于物体的颜色会更倾向于光的颜色

法线变换矩阵

法向量只是一个方向向量，不能表达空间中的特定位置。同时，法向量没有齐次坐标（顶点位置中的w分量）。这意味着，位移不应该影响到法向量。因此，如果我们打算把法向量乘以一个模型矩阵，我们就要从矩阵中移除位移部分，只选用模型矩阵左上角3×3的矩阵（注意，我们也可以把法向量的w分量设置为0，再乘以4×4矩阵；这同样可以移除位移）。对于法向量，我们只希望对它实施缩放和旋转变换。

其次，如果模型矩阵执行了不等比缩放，顶点的改变会导致法向量不再垂直于表面了。因此，我们不能用这样的模型矩阵来变换法向量。下面的图展示了应用了不等比缩放的模型矩阵对法向量的影响：

每当我们应用一个不等比缩放时（注意：等比缩放不会破坏法线，因为法线的方向没被改变，仅仅改变了法线的长度，而这很容易通过标准化来修复），法向量就不会再垂直于对应的表面了，这样光照就会被破坏。

修复这个行为的诀窍是使用一个为法向量专门定制的模型矩阵。这个矩阵称之为法线矩阵(Normal Matrix)。

这里对法线矩阵的解释参照了入门精要里的

变换后的法线与切线的点乘的结果也应该是0，这里将变换后的矩阵与切线转置的原因是M*T得到的结果是一个3行1列的矩阵，GN的结果是3行1列的矩阵，而我们是为了获得法线变换的矩阵，将前面得到的矩阵进行转置矩阵乘法才可以继续进行，而且书里前面说过一个向量是可以当作列矩阵或者行矩阵的。最后的结果就是原变换矩阵的逆转置矩阵。

光照合并

顶点着色器

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;out vec2 TexCoord;uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;out vec3 FragPos;  
out vec3 Normal;void main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;
}

片段着色器

#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec3 FragPos;
in vec3 Normal;uniform vec3 objectColor;
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 viewPos;void main()
{float ambientStrength = 0.1;float specularStrength = 0.5;vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;vec3 norm = normalize(Normal);vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);vec3 diffuse = diff * lightColor;vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 16);vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor;vec3 result = (ambient + diffuse+specular) * objectColor;FragColor = vec4(result, 1.0);
}

 材质

将三个材质的构成分量创建一个结构体

将光的属性也设置成结构体，进而可以更好的控制着色器的各种属性

顶点着色器

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;out vec3 FragPos;
out vec3 Normal;uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;void main()
{FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;  gl_Position = projection * view * vec4(FragPos, 1.0);
}

片段着色器

#version 330 core
out vec4 FragColor;struct Material {vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;    float shininess;
}; struct Light {vec3 position;vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;
};in vec3 FragPos;  
in vec3 Normal;  uniform vec3 viewPos;
uniform Material material;
uniform Light light;void main()
{// ambientvec3 ambient = light.ambient * material.ambient;// diffuse vec3 norm = normalize(Normal);vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);vec3 diffuse = light.diffuse * (diff * material.diffuse);// specularvec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);  float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);vec3 specular = light.specular * (spec * material.specular);  vec3 result = ambient + diffuse + specular;FragColor = vec4(result*10, 1.0);
} 

光照贴图

效果

因为很多物体并不只是由一种材质构成的，我们控制不同部分的属性，所以引入了光照贴图

修改原来的结构体，把漫反射和高光都修改为贴图,另外练习中增加的自发光贴图也加进去

贴图采样的原理和之前的教程差不多

顶点着色器

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoords;out vec3 FragPos;
out vec3 Normal;
out vec2 TexCoords;uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;void main()
{FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;  TexCoords = aTexCoords;gl_Position = projection * view * vec4(FragPos, 1.0);
}

片段着色器

最后的自发光贴图的加了个随时间移动和淡入淡出的效果，并且箱子的钢铁部分是不应该有自发光的，对自发光进行了限制

#version 330 core
out vec4 FragColor;struct Material {sampler2D diffuse;sampler2D specular;    sampler2D emission;float shininess;
}; struct Light {vec3 position;vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;
};in vec3 FragPos;  
in vec3 Normal;  
in vec2 TexCoords;uniform vec3 viewPos;
uniform Material material;
uniform Light light;
uniform float time;void main()
{// ambientvec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));  	// diffuse vec3 norm = normalize(Normal);vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));    // specularvec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);  float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords)); vec3 emission = texture(material.emission,TexCoords+vec2(0.0,time/2)).rgb;vec3 result = ambient + diffuse + specular+emission;FragColor = vec4(result, 1.0);}