第六章 opengl之光照（颜色）

光照

颜色

颜色由RGB组成，分别是红色，绿色，蓝色。举例定义一个颜色向量：

glm::vec3 coral(1.0f, 0.5f, 0.31f);

而在现实中，人眼看到的是 物体反射后的颜色，也就是说不能被物体吸收的颜色，是人可以感知到的颜色。

颜色反射的定律被直接地运用在图形领域。当我们在OpenGL中创建一个光源时，我们希望给光源一个颜色。假如将光源设置为白色，当我们把光源的颜色与物体的颜色值相乘，所得到的就是这个物体所反射的颜色（也就是我们所感知到的颜色）。让我们再次审视我们物体，看看如何在图形学中计算出它的反射颜色。我们将这两个颜色向量作分量相乘，结果就是最终的颜色向量了：

glm::vec3 lightColor(1.0f, 1.0f, 1.0f);
glm::vec3 toyColor(1.0f, 0.5f, 0.31f);
glm::vec3 result = lightColor * toyColor; // = (1.0f, 0.5f, 0.31f);

创建一个光照场景

首先我们需要一个物体来作为被投光(Cast the light)的对象，我们将使用前面教程中的那个著名的立方体箱子。我们还需要一个物体来代表光源在3D场景中的位置。简单起见，我们依然使用一个立方体来代表光源。
填一个顶点缓冲对象(VBO)，设定一下顶点属性指针等等。
我们首先需要一个顶点着色器来绘制箱子。与之前的顶点着色器相比，容器的顶点位置是保持不变的（虽然这一次我们不需要纹理坐标了），因此顶点着色器中没有新的代码。我们将会使用之前教程顶点着色器的精简版：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;void main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}

不要忘了更新顶点数据和属性指针使其与新的顶点着色器保持一致。
因为我们还要创建一个表示灯（光源）的立方体，所以我们还要为这个灯创建一个专门的VAO。当然我们也可以让这个灯和其它物体使用同一个VAO，简单地对它的model（模型）矩阵做一些变换就好了，然而接下来我们会频繁地对顶点数据和属性指针做出修改，我们并不想让这些修改影响到灯（我们只关心灯的顶点位置），因此我们有必要为灯创建一个新的VAO：

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);

上述代码已经创建了可以表示灯的箱子，和 被照物体的箱子。下面需要再定义一个片段着色器：

#version 330 core
out vec4 FragColor;uniform vec3 objectColor;
uniform vec3 lightColor;void main()
{FragColor = vec4(lightColor * objectColor, 1.0);
}

这个片段着色器从uniform变量中接受物体的颜色和光源的颜色。实际中，我们把物体的颜色设置为之前的珊瑚红色，并把光源设置为白色。

// 在此之前不要忘记首先 use 对应的着色器程序（来设定uniform）
lightingShader.use();
lightingShader.setVec3("objectColor", 1.0f, 0.5f, 0.31f);
lightingShader.setVec3("lightColor",  1.0f, 1.0f, 1.0f);

当修改顶点或片段着色器后，灯的位置或颜色也会变化，这不是理想的效果，灯的颜色不应该因光照的计算结果而受到影响。应该让它和其他计算分离开，灯应该一直保持明亮。
则需要给灯绘制另一套着色器，从而保证能够在光照着色器发生变化的时候不受影响。
可以之间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：

#version 330 core
out vec4 FragColor;void main()
{FragColor = vec4(1.0); // 将向量的四个分量全部设置为1.0
}

如果要绘制其他物体的时候，需要使用刚才定义的光照着色器来绘制物体。如果想要绘制灯的话，需要用灯的着色器。

使用这个灯立方体的目的是：让我们知道光源在场景中的具体位置。通常是在场景中定义一个光源的位置，但这只是一个位置，没有视觉意义。为了显示真正的灯，需要将表示光源的立方体绘制在与光源相同的位置。将使用为它新建的片段着色器来绘制它，让它一直处于白色的状态，不受场景中的光照影响。

声明一个全局的vec3 变量来表示光源在场景的世界空间坐标中的位置：

glm::vec3 lightPos(1.2f, 1.0f, 2.0f);

把灯移动到这里，将其进行缩小：

model = glm::mat4();
model = glm::translate(model, lightPos);
model = glm::scale(model, glm::vec3(0.2f));

再绘制立方体：

lampShader.use();
// 设置模型、视图和投影矩阵uniform
...
// 绘制灯立方体对象
glBindVertexArray(lightVAO);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

综上代码如下：

#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>#include <learnopengl/shader_m.h>
#include <learnopengl/camera.h>#include <iostream>void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height);
void mouse_callback(GLFWwindow* window, double xpos, double ypos);
void scroll_callback(GLFWwindow* window, double xoffset, double yoffset);
void processInput(GLFWwindow *window);// settings
const unsigned int SCR_WIDTH = 800;
const unsigned int SCR_HEIGHT = 600;// camera
Camera camera(glm::vec3(0.0f, 0.0f, 3.0f));
float lastX = SCR_WIDTH / 2.0f;
float lastY = SCR_HEIGHT / 2.0f;
bool firstMouse = true;// timing
float deltaTime = 0.0f;
float lastFrame = 0.0f;// lighting
glm::vec3 lightPos(1.2f, 1.0f, 2.0f);int main()
{// glfw: initialize and configure// ------------------------------glfwInit();glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);#ifdef __APPLE__glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);
#endif// glfw window creation// --------------------GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "LearnOpenGL", NULL, NULL);if (window == NULL){std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;glfwTerminate();return -1;}glfwMakeContextCurrent(window);glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);glfwSetCursorPosCallback(window, mouse_callback);glfwSetScrollCallback(window, scroll_callback);// tell GLFW to capture our mouseglfwSetInputMode(window, GLFW_CURSOR, GLFW_CURSOR_DISABLED);// glad: load all OpenGL function pointers// ---------------------------------------if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress)){std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;return -1;}// configure global opengl state// -----------------------------glEnable(GL_DEPTH_TEST);// build and compile our shader zprogram// ------------------------------------Shader lightingShader("1.colors.vs", "1.colors.fs");Shader lightCubeShader("1.light_cube.vs", "1.light_cube.fs");// set up vertex data (and buffer(s)) and configure vertex attributes// ------------------------------------------------------------------float vertices[] = {-0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.5f, -0.5f,  -0.5f,  0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.5f, 0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f,  -0.5f,  0.5f,  0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.5f, 0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f,  -0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.5f,  -0.5f, -0.5f,  0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.5f, -0.5f, 0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.5f,  -0.5f,  0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.5f, -0.5f, };// first, configure the cube's VAO (and VBO)unsigned int VBO, cubeVAO;glGenVertexArrays(1, &cubeVAO);glGenBuffers(1, &VBO);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);glBindVertexArray(cubeVAO);// position attributeglVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);glEnableVertexAttribArray(0);// second, configure the light's VAO (VBO stays the same; the vertices are the same for the light object which is also a 3D cube)unsigned int lightCubeVAO;glGenVertexArrays(1, &lightCubeVAO);glBindVertexArray(lightCubeVAO);// we only need to bind to the VBO (to link it with glVertexAttribPointer), no need to fill it; the VBO's data already contains all we need (it's already bound, but we do it again for educational purposes)glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);glEnableVertexAttribArray(0);// render loop// -----------while (!glfwWindowShouldClose(window)){// per-frame time logic// --------------------float currentFrame = static_cast<float>(glfwGetTime());deltaTime = currentFrame - lastFrame;lastFrame = currentFrame;// input// -----processInput(window);// render// ------glClearColor(0.1f, 0.1f, 0.1f, 1.0f);glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);// be sure to activate shader when setting uniforms/drawing objectslightingShader.use();lightingShader.setVec3("objectColor", 1.0f, 0.5f, 0.31f);lightingShader.setVec3("lightColor",  1.0f, 1.0f, 1.0f);// view/projection transformationsglm::mat4 projection = glm::perspective(glm::radians(camera.Zoom), (float)SCR_WIDTH / (float)SCR_HEIGHT, 0.1f, 100.0f);glm::mat4 view = camera.GetViewMatrix();lightingShader.setMat4("projection", projection);lightingShader.setMat4("view", view);// world transformationglm::mat4 model = glm::mat4(1.0f);lightingShader.setMat4("model", model);// render the cubeglBindVertexArray(cubeVAO);glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);// also draw the lamp objectlightCubeShader.use();lightCubeShader.setMat4("projection", projection);lightCubeShader.setMat4("view", view);model = glm::mat4(1.0f);model = glm::translate(model, lightPos);model = glm::scale(model, glm::vec3(0.2f)); // a smaller cubelightCubeShader.setMat4("model", model);glBindVertexArray(lightCubeVAO);glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);// glfw: swap buffers and poll IO events (keys pressed/released, mouse moved etc.)// -------------------------------------------------------------------------------glfwSwapBuffers(window);glfwPollEvents();}// optional: de-allocate all resources once they've outlived their purpose:// ------------------------------------------------------------------------glDeleteVertexArrays(1, &cubeVAO);glDeleteVertexArrays(1, &lightCubeVAO);glDeleteBuffers(1, &VBO);// glfw: terminate, clearing all previously allocated GLFW resources.// ------------------------------------------------------------------glfwTerminate();return 0;
}// process all input: query GLFW whether relevant keys are pressed/released this frame and react accordingly
// ---------------------------------------------------------------------------------------------------------
void processInput(GLFWwindow *window)
{if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)glfwSetWindowShouldClose(window, true);if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_W) == GLFW_PRESS)camera.ProcessKeyboard(FORWARD, deltaTime);if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_S) == GLFW_PRESS)camera.ProcessKeyboard(BACKWARD, deltaTime);if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_A) == GLFW_PRESS)camera.ProcessKeyboard(LEFT, deltaTime);if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_D) == GLFW_PRESS)camera.ProcessKeyboard(RIGHT, deltaTime);
}// glfw: whenever the window size changed (by OS or user resize) this callback function executes
// ---------------------------------------------------------------------------------------------
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height)
{// make sure the viewport matches the new window dimensions; note that width and // height will be significantly larger than specified on retina displays.glViewport(0, 0, width, height);
}// glfw: whenever the mouse moves, this callback is called
// -------------------------------------------------------
void mouse_callback(GLFWwindow* window, double xposIn, double yposIn)
{float xpos = static_cast<float>(xposIn);float ypos = static_cast<float>(yposIn);if (firstMouse){lastX = xpos;lastY = ypos;firstMouse = false;}float xoffset = xpos - lastX;float yoffset = lastY - ypos; // reversed since y-coordinates go from bottom to toplastX = xpos;lastY = ypos;camera.ProcessMouseMovement(xoffset, yoffset);
}// glfw: whenever the mouse scroll wheel scrolls, this callback is called
// ----------------------------------------------------------------------
void scroll_callback(GLFWwindow* window, double xoffset, double yoffset)
{camera.ProcessMouseScroll(static_cast<float>(yoffset));
}