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webgl——给场景添加光

news 2025/11/11 20:48:54

文章目录

前言
光照理论介绍
- 光照效果
- 光源类型
- 反射光颜色
向场景中添加光
- 向场景中添加环境光和点光源
- 逐片元光照——更加逼真
总结

前言

在之前的学习中已经将三维物体添加到了场景中，但是并没有在场景中使用光，照可以使模型更具有立体感，本文主要介绍 webgl 中的光照理论和计算方式，并展示如何在三维场景中添加光照。

光照理论介绍

光照效果

现实世界中的物体被光线照射时，会反射一部分光。只有当反射光线进入你的眼睛时，你才能够看到物体并辩认出它的颜色。比如，白色的盒子会反射白光，当白光进入你的眼睛时，你才能看到盒子是白色的。

当光线照射到物体上时，发生了两个重要的现象

根据光源和光线方向，物体不同表面的明暗程度变得不一致。
根据光源和光线方向，物体向地面投下了影子。

添加光源前：只有基本环境光
在这里插入图片描述

添加光源后
在这里插入图片描述

在片元着色（shading）时，不仅要根据片元着色器给像素上色，还要根据光照条件重建物体各表面明暗不一的效果 。物体向地面投下影子的现象，又被称为阴影（shadowing）。

光源类型

在这里插入图片描述

如图，光源主要有以下几种类型：

平行光（directional light），类似于自然中的太阳光；

平行光的光线是相互平行的，平行光具有方向。平行光可以看作是无限远处的光源（比如太阳）发出的光。平行光很简单，只需要光照的方向和颜色来定义。

点光源光（point light），类似于人造灯泡的光。

点光源光是从一个点向周围的所有方向发出的光。点光源光可以用来表示现实中的灯泡、火焰等。我们需要指定点光源的位置和颜色。光线的方向将根据点光源的位置和被照射之处的位置计算出来，因为点光源的光线的方向在场景内的不同位置是不同的。

环境光（ambient light），模拟真实世界中的非直射光（光源发出后经过墙壁或其他物体反射后的光）。致的“。比如说，在夜间打开冰箱的门，整个厨房都会有些微微亮，这就是环境光的作用。环境光不用指定位置和方向，只需要指定颜色即可。

环境光（间接光）是指那些经光源（点光源或平行光源）发出后，被墙壁等物体多次反射，然后照到物体表面上的光。环境光从各个角度照射物体，其强度都是一致的。比如说。环境光不用指定位置和方向，只需要指定颜色即可。

反射光颜色

物体向哪个方向反射光，反射的光是什么颜色，取决于以下两个因素：入射光和物体表面的类型。入射光的信息包括入射光的方向和颜色，而物体表面的信息包括表面的固有颜色（也称基底色）和反射特性。

物体表面反射光线的方式有两种：环境反射 和 漫反射

环境反射

环境反射是针对环境光而言的。在环境反射中，反射光的方向可以认为就是入射光的反方向。由于环境光照射物体的方式就是各方向均匀、强度相等的，所以反射光也是各向均匀的。

<环境反射光颜色> = <入射光颜色> × <表面基底色>

在这里插入图片描述

漫反射

漫反射是针对平行光或点光源而言的。漫反射的反射光在各个方向上是均匀(强度相等)的，现实中的大部分材质表面都是粗糙的，在这种情况下反射光就会以不固定的角度反射出去。漫反射就是针对这种情况而建立的理想反射模型。

在漫反射中，反射光的颜色取决于1 入射光的颜色、2 表面的基底色、3 入射光与表面形成的入射角。入射角 θ 的定义为入射光与表面的法线形成的夹角

<漫反射光颜色> = <入射光颜色> × <表面基底色> × cos θ
= <入射光颜色> × <表面基底色> × ( <光线方向> * <法线方向>)

使用上面公式计算时，有两点需要特别注意：
1 <光线方向> 与 <法线方向> 两个矢量必须是经过归一化矢量的，即长度必须为1。
2 光线方向是入射方向的反方向，如下图。

在这里插入图片描述

漫反射 + 环境反射

在大多数情况下，漫反射和环境反射同时存在，二者相加就是物体映入人眼的真实颜色

<物体反射光颜色> = <漫反射光颜色> + <环境光反射颜色>

向场景中添加光

接前一文章：webgl三维绘制——彩色立方体，将物体的颜色改为纯色。

	const vertex = `attribute vec4 aPosition;uniform mat4 uPerspectiveMatrix;uniform mat4 uViewMatrix;attribute vec4 aColor;varying vec4 (1.0,0.0,0.0,1.0);void main() {gl_Position = uPerspectiveMatrix  * uViewMatrix *   aPosition ;// v_Color = aPosition;}`const fragment = `precision highp float;// varying vec4 v_Color;void main(){gl_FragColor = v_Color;}`

目的达成，可以重新编辑了。

向场景中添加环境光和点光源

为了实现添加光源后的效果，我们需要：

定义立方体每个面的法方向
在顶点着色器中添加点光源和环境光源，并按照之前的公式计算出点光源颜色和环境光源颜色
物体的真实颜色 = 点光源颜色 + 环境光颜色

<!DOCTYPE html>
<html lang="en"><head><meta charset="UTF-8"><title>webgl</title><script src="./lib.js"></script><meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" /><style>body {margin: 0;padding: 0;}canvas {margin: 50px 30px;width: 500px;height: 500px;}</style>
</head><body><canvas id="canvas"></canvas><script>/** @type {HTMLCanvasElement} *///------------------------------------------------------创建画布// 获取canvas元素对象let canvas = document.getElementById('canvas');let ctx = document.getElementById('canvas')// 获取webgl绘图上下文const gl = canvas.getContext('webgl');if (!gl) {throw new Error('WebGL not supported');}canvas.width = 500;canvas.height = 500;gl.viewport(0, 0, canvas.width, canvas.height)// 设置背景色gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)gl.enable(gl.DEPTH_TEST);// 清空缓冲区gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT)const vertex = `attribute vec4 aPosition; // attribute vec4 aNormal; // 法方向uniform mat4 uViewMatrix; // 视图矩阵uniform mat4 uPerspectiveMatrix; // 投影矩阵varying vec4 v_Color;void main() {vec4 cubeColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0); // 物体颜色vec3 lightColor = vec3(1.0, 1.0, 1.0); // 点光源颜色vec3 lightPosition = vec3(5.0, 10.0, 10.0); // 点光源位置vec3 ambientColor = vec3(0.1, 0.1, 0.1); // 环境光颜色vec4 worldPosition = uPerspectiveMatrix * uViewMatrix * aPosition ; // 世界坐标vec3 lightDirection = normalize(lightPosition - vec3(worldPosition)) ; // 点光源光束方向vec3 ambientColors = ambientColor * vec3(cubeColor) ;// 环境光颜色float deg = dot(lightDirection, vec3(aNormal));vec3 diffColor = lightColor * vec3(cubeColor) * deg; // 漫反射光颜色gl_Position = uPerspectiveMatrix  * uViewMatrix * aPosition ;v_Color = vec4(ambientColors + diffColor, 1.0); // 最终颜色//v_Color = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0); // 最终颜色}`const fragment = `precision highp float;varying vec4 v_Color;void main(){gl_FragColor = v_Color;}`// 创建programconst program = initShader(gl, vertex, fragment)// 获取attribute变量的数据存储位置const aPosition = gl.getAttribLocation(program, 'aPosition');const aColor = gl.getAttribLocation(program, 'aColor');const aNormal = gl.getAttribLocation(program, 'aNormal');// 获取uniform变量的数据存储位置const uPerspectiveMatrix = gl.getUniformLocation(program, 'uPerspectiveMatrix');const uViewMatrix = gl.getUniformLocation(program, 'uViewMatrix');// 创建顶点缓冲区对象const vertices = new Float32Array([1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, // 前面1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, // 右面1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, -1, 1, 1, // 上面-1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, // 左面-1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, -1, // 下面1, -1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, -1, -1, -1 // 后面])const buffer = gl.createBuffer();gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);const BYTES = vertices.BYTES_PER_ELEMENT;gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW)gl.vertexAttribPointer(aPosition, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0)gl.enableVertexAttribArray(aPosition)// 创建索引缓冲区对象const index = new Uint8Array([0, 1, 2, 0, 2, 3,      // 前4, 5, 6, 4, 6, 7,      // 右8, 9, 10, 8, 10, 11,   // 上12, 13, 14, 12, 14, 15,// 左16, 17, 18, 16, 18, 19,// 下20, 21, 22, 20, 22, 23,// 后]);const indexBuffer = gl.createBuffer();gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, index, gl.STATIC_DRAW)// 向量const normals = new Float32Array([0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0,  // 前1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0,  // 右0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0,  // 上-1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0,  // 左0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0,  // 下0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0   // 后]);const normalBuffer = gl.createBuffer();gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, normalBuffer);const BYTES_NORMAL = normals.BYTES_PER_ELEMENT;gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, normals, gl.STATIC_DRAW)gl.vertexAttribPointer(aNormal, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0)gl.enableVertexAttribArray(aNormal)const viewMatrix = createViewMatrix(new Float32Array([5.0, 5.0, 5.0]), // 视点位置new Float32Array([0.0, 0.0, 0.0]), // 目标点位置new Float32Array([0.0, 1.0, 0.0]), // 上方向)const perspectiveMatrix = createPerspective(30, ctx.width / ctx.height, 1, 100)gl.uniformMatrix4fv(uPerspectiveMatrix, false, perspectiveMatrix,)gl.uniformMatrix4fv(uViewMatrix, false, viewMatrix,)// 开始绘制gl.drawElements(gl.TRIANGLES, index.length, gl.UNSIGNED_BYTE, 0)</script>
</body></html>

在这里插入图片描述

逐片元光照——更加逼真

在片元着色器逐片元地进行计算光照产生的颜色，将会产生更加逼真的光照效果。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en"><head><meta charset="UTF-8"><title>webgl</title><script src="./lib.js"></script><meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" /><style>body {margin: 0;padding: 0;}canvas {margin: 50px 30px;width: 500px;height: 500px;}</style>
</head><body><canvas id="canvas"></canvas><script>/** @type {HTMLCanvasElement} *///------------------------------------------------------创建画布// 获取canvas元素对象let canvas = document.getElementById('canvas');let ctx = document.getElementById('canvas')// 获取webgl绘图上下文const gl = canvas.getContext('webgl');if (!gl) {throw new Error('WebGL not supported');}canvas.width = 500;canvas.height = 500;gl.viewport(0, 0, canvas.width, canvas.height)// 设置背景色gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)gl.enable(gl.DEPTH_TEST);// 清空缓冲区gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT)const vertex = `attribute vec4 aPosition; // attribute vec4 aNormal; // 法方向uniform mat4 uViewMatrix; // 视图矩阵uniform mat4 uPerspectiveMatrix; // 投影矩阵varying vec4 v_CubeColor; // 物体颜色varying vec4 v_WorldPosition; // 世界坐标varying vec4 v_Normal; // 法方向void main() {v_Normal = aNormal;v_CubeColor = vec4(1.0,0.0,0.0,1.0); // 物体颜色v_WorldPosition = uPerspectiveMatrix * uViewMatrix * aPosition ; // 世界坐标gl_Position = uPerspectiveMatrix  * uViewMatrix * aPosition ;}`const fragment = `precision highp float;varying vec4 v_CubeColor; // 物体颜色varying vec4 v_WorldPosition; // 世界坐标varying vec4 v_Normal; // 法方向void main(){vec3 lightColor = vec3(1.0, 1.0, 1.0); // 点光源颜色vec3 lightPosition = vec3(5.0, 10.0, 10.0); // 点光源位置vec3 ambientColor = vec3(0.1, 0.1, 0.1); // 环境光颜色vec3 lightDirection = normalize(lightPosition - vec3(v_WorldPosition)) ; // 点光源光束方向vec3 ambientColors = ambientColor * vec3(v_CubeColor) ;// 环境光颜色float deg = dot(lightDirection, vec3(v_Normal)); vec3 diffColor = lightColor * vec3(v_CubeColor) * deg; // 漫反射光颜色gl_FragColor = vec4(ambientColors + diffColor, 1.0); // 最终颜色;}`// 创建programconst program = initShader(gl, vertex, fragment)// 获取attribute变量的数据存储位置const aPosition = gl.getAttribLocation(program, 'aPosition');const aColor = gl.getAttribLocation(program, 'aColor');const aNormal = gl.getAttribLocation(program, 'aNormal');// 获取uniform变量的数据存储位置const uPerspectiveMatrix = gl.getUniformLocation(program, 'uPerspectiveMatrix');const uViewMatrix = gl.getUniformLocation(program, 'uViewMatrix');// 创建顶点缓冲区对象const vertices = new Float32Array([1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, // 前面1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, // 右面1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, -1, 1, 1, // 上面-1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, // 左面-1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, -1, // 下面1, -1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, -1, -1, -1 // 后面])const buffer = gl.createBuffer();gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);const BYTES = vertices.BYTES_PER_ELEMENT;gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, vertices, gl.STATIC_DRAW)gl.vertexAttribPointer(aPosition, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0)gl.enableVertexAttribArray(aPosition)// 创建索引缓冲区对象const index = new Uint8Array([0, 1, 2, 0, 2, 3,      // 前4, 5, 6, 4, 6, 7,      // 右8, 9, 10, 8, 10, 11,   // 上12, 13, 14, 12, 14, 15,// 左16, 17, 18, 16, 18, 19,// 下20, 21, 22, 20, 22, 23,// 后]);const indexBuffer = gl.createBuffer();gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, index, gl.STATIC_DRAW)// 向量const normals = new Float32Array([0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0,  // 前1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0,  // 右0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0,  // 上-1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0,  // 左0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0,  // 下0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0   // 后]);const normalBuffer = gl.createBuffer();gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, normalBuffer);const BYTES_NORMAL = normals.BYTES_PER_ELEMENT;gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, normals, gl.STATIC_DRAW)gl.vertexAttribPointer(aNormal, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0)gl.enableVertexAttribArray(aNormal)const viewMatrix = createViewMatrix(new Float32Array([5.0, 5.0, 5.0]), // 视点位置new Float32Array([0.0, 0.0, 0.0]), // 目标点位置new Float32Array([0.0, 1.0, 0.0]), // 上方向)const perspectiveMatrix = createPerspective(30, ctx.width / ctx.height, 1, 100)gl.uniformMatrix4fv(uPerspectiveMatrix, false, perspectiveMatrix,)gl.uniformMatrix4fv(uViewMatrix, false, viewMatrix,)// 开始绘制gl.drawElements(gl.TRIANGLES, index.length, gl.UNSIGNED_BYTE, 0)</script>
</body></html>

在这里插入图片描述

总结

光照理论介绍

光照效果
光源类型
反射光颜色

向场景中添加光

向场景中添加环境光和点光源
逐片元光照——更加逼真

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前言

光照理论介绍

光照效果

光源类型

反射光颜色

向场景中添加光

向场景中添加环境光和点光源

逐片元光照——更加逼真

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