WebGL系列教程十一（光照原理及Blinn Phong着色模型）

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WebGL系列教程十一（光照原理及Blinn Phong着色模型）

1 前言

  什么是光照？光照就是模拟出物体被光照射时的效果，使得渲染场景看起来更真实。那么WebGL在干什么？WebGL其实就是在计算继而还原每个像素的颜色和亮度。这就是我们这一节所要讲的内容，对一个立方体进行光照的渲染。

2 光源的分类

  我们常用的光源有点光源、面光源以及环境光。面光源是平行光，因为太阳离地球非常非常远，所以我们处理自然光时将太阳光也认为是面光源。常见的点光源有灯泡、火焰等，点光源照射在物体表面的角度是不一样的，因为会对着色有较大影响。环境光是指被墙壁等物体经过多次反射之后的光，环境光会从各个角度去照射物体，目前我们认为他们的强度都是一样的，且强度很小，因此通过一个微小的的值来代替（想要精确还原的同学可以自行学习光线追踪来进行模拟）。

3 光照的渲染

  在进行光照的渲染时，可以采用不同的方式，比如对面进行着色（Flat Shading），对顶点进行着色（Ground Shading），对像素进行着色（Phong Shading）。

  本文中采用的是逐像素进行着色，即 Blinn Phong Shading，是在Phong Shading的基础上对高光项进行了改进。Blinn Phong Shading 对光照进行渲染时分成了三个部分，即高光、漫反射、环境光。

3.1 高光

  如图所示，v为观察方向，R为镜面反射方向，当R和v足够接近时，就会产生高光。这两向量的夹角可以通过单位向量点乘得到。因为这个角度不好计算，因此取入射方向加上出射方向结果的一半，即半程向量h和法线n的夹角来计算这个角度。在实际应用中，会对这个夹角的余弦值取m次方来满足需要。


  可以看出，次方m取值越大，高光的范围越小。

3.2 漫反射

  漫反射的反射光在各个方向上是均匀分布的，现实中的很多材质，比如纸张、岩石、塑料，表面都是粗糙的，在这种情况下，反射光将会以不固定的角度反射出去，漫反射正是在此基础上建立的反射模型。

3.3 环境光

  环境光下的反射称为环境反射，环境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是各方向均匀的、强度相等的，所以反射光也是各项均匀的。

4 代码实现

  好了，讲完了理论，我们来进行一下实操。现在我们要对每个像素进行操作，因此先在片元着色器中进行声明：

// u_LightColor: 光源的颜色
uniform vec3 u_LightColor;// u_LightPosition: 光源的位置（世界坐标系中）
uniform vec3 u_LightPosition;// u_AmbientLight: 环境光的颜色
uniform vec3 u_AmbientLight;// u_ViewPosition: 观察者的位置（世界坐标系中）
uniform vec3 u_ViewPosition;// u_Shininess: 高光反射的光泽度系数
uniform float u_Shininess;// v_Normal: 从顶点着色器传递过来的法向量（世界坐标系中）
varying vec3 v_Normal;// v_Position: 从顶点着色器传递过来的顶点位置（世界坐标系中）
varying vec3 v_Position;// v_Color: 从顶点着色器传递过来的顶点颜色
varying vec4 v_Color;

4.1 计算逆转置矩阵

  首先我们要搞明白什么是逆转置矩阵？对一个矩阵先求逆矩阵，然后再求转置，就得到了逆转置矩阵。那么逆转置矩阵是干什么用的？我们之前讲过模型矩阵是对顶点进行变换的，逆转置矩阵是对法线进行变换的。当我们对模型进行了旋转、平移、缩放后，模型的法线也要跟随着变化，这时用逆转置矩阵就可以很方便的求出新的法线了。因此逆转置矩阵针对的是模型矩阵。

var modelMatrix = new Matrix4();  // 模型矩阵
// 计算用于变换法向量的矩阵，即逆转置矩阵
normalMatrix.setInverseOf(modelMatrix);
normalMatrix.transpose();

4.2 对法向量进行变换

// u_NormalMatrix: 法向量变换矩阵，用于正确变换法向量
//glsl
uniform mat4 u_NormalMatrix;
// 对法向量进行变换并归一化
v_Normal = normalize(vec3(u_NormalMatrix * a_Normal));var u_NormalMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_NormalMatrix');  
// 将法向量变换矩阵传递给 u_NormalMatrix
gl.uniformMatrix4fv(u_NormalMatrix, false, normalMatrix.elements);

4.3 计算法向量和光线方向的点积

// 计算从光源到片段的方向向量并进行归一化
vec3 lightDirection = normalize(u_LightPosition - v_Position);// 计算法向量和光线方向的点积（用于漫反射计算）
float nDotL = max(dot(lightDirection, normal), 0.0);

4.4 计算漫反射分量

// 计算漫反射分量
vec3 diffuse = u_LightColor * nDotL;

4.5 计算环境光分量

// 计算环境光分量
vec3 ambient = u_AmbientLight * v_Color.rgb;

4.6 计算视线方向单位向量

// 计算视线方向向量（从观察者到片段的位置）并进行归一化
vec3 viewDirection = normalize(u_ViewPosition - v_Position);

4.7 计算反射向量

// 计算反射方向向量vec3 reflectDirection = reflect(-lightDirection, normal);

4.8 计算视线方向和反射方向的点积

// 计算视线方向和反射方向的点积，并根据光泽度系数计算高光反射分量
float spec = pow(max(dot(viewDirection, reflectDirection), 0.0), u_Shininess);

4.9 计算高光

// 计算高光分量，使其接近白色
vec3 specular = vec3(1.0, 1.0, 1.0) * spec;

4.10 组合漫反射、环境光和高光

// 最终颜色由漫反射、环境光和高光三部分组成
gl_FragColor = vec4(diffuse + ambient + specular, v_Color.a);

4.11 完整代码

// 顶点着色器
<script id="vertex-shader" type="x-shader/x-vertex">// a_Position: 顶点位置// a_Color: 顶点颜色// a_Normal: 顶点法向量attribute vec4 a_Position;attribute vec4 a_Color;attribute vec4 a_Normal;// u_MvpMatrix: 模型视图投影矩阵，用于将顶点从模型坐标转换为裁剪坐标uniform mat4 u_MvpMatrix;// u_ModelMatrix: 模型矩阵，用于将顶点从局部坐标变换到世界坐标uniform mat4 u_ModelMatrix;// u_NormalMatrix: 法向量变换矩阵，用于正确变换法向量uniform mat4 u_NormalMatrix;// v_Color: 传递给片段着色器的顶点颜色varying vec4 v_Color;// v_Normal: 传递给片段着色器的法向量（经过变换后的世界坐标系中的法向量）varying vec3 v_Normal;// v_Position: 传递给片段着色器的顶点位置（世界坐标系中的位置）varying vec3 v_Position;void main() {// 计算顶点位置在裁剪坐标系中的位置gl_Position = u_MvpMatrix * a_Position;// 计算顶点在世界坐标系中的位置v_Position = vec3(u_ModelMatrix * a_Position);// 对法向量进行变换并归一化v_Normal = normalize(vec3(u_NormalMatrix * a_Normal));// 将顶点颜色传递给片段着色器v_Color = a_Color;}
</script>

// 片段着色器
<script id="vertex-shader" type="x-shader/x-vertex">
#ifdef GL_ESprecision mediump float;  // 设置浮点数精度#endif// u_LightColor: 光源的颜色uniform vec3 u_LightColor;// u_LightPosition: 光源的位置（世界坐标系中）uniform vec3 u_LightPosition;// u_AmbientLight: 环境光的颜色uniform vec3 u_AmbientLight;// u_ViewPosition: 观察者的位置（世界坐标系中）uniform vec3 u_ViewPosition;// u_Shininess: 高光反射的光泽度系数uniform float u_Shininess;// v_Normal: 从顶点着色器传递过来的法向量（世界坐标系中）varying vec3 v_Normal;// v_Position: 从顶点着色器传递过来的顶点位置（世界坐标系中）varying vec3 v_Position;// v_Color: 从顶点着色器传递过来的顶点颜色varying vec4 v_Color;void main() {// 对法向量进行归一化处理vec3 normal = normalize(v_Normal);// 计算从光源到片段的方向向量并进行归一化vec3 lightDirection = normalize(u_LightPosition - v_Position);// 计算法向量和光线方向的点积（用于漫反射计算）float nDotL = max(dot(lightDirection, normal), 0.0);// 计算漫反射分量vec3 diffuse = u_LightColor * nDotL;// 计算环境光分量vec3 ambient = u_AmbientLight * v_Color.rgb;// 计算视线方向向量（从观察者到片段的位置）并进行归一化vec3 viewDirection = normalize(u_ViewPosition - v_Position);// 计算反射方向向量vec3 reflectDirection = reflect(-lightDirection, normal);// 计算视线方向和反射方向的点积，并根据光泽度系数计算高光反射分量float spec = pow(max(dot(viewDirection, reflectDirection), 0.0), u_Shininess);// 计算高光分量，使其接近白色vec3 specular = vec3(1.0, 1.0, 1.0) * spec;// 最终颜色由漫反射、环境光和高光三部分组成gl_FragColor = vec4(diffuse + ambient + specular, v_Color.a);}
</script>

function main() {// 获取 <canvas> 元素var canvas = document.getElementById('webgl');// 获取 WebGL 的渲染上下文var gl = getWebGLContext(canvas);if (!gl) {console.log('无法获取 WebGL 的渲染上下文');return;}// 初始化着色器if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {console.log('无法初始化着色器');return;}// 初始化顶点缓冲区var n = initVertexBuffers(gl);if (n < 0) {console.log('无法设置顶点信息');return;}// 设置清除颜色并启用深度测试gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);gl.enable(gl.DEPTH_TEST);// 获取 uniform 变量的存储位置var u_ModelMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_ModelMatrix');var u_MvpMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_MvpMatrix');var u_NormalMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_NormalMatrix');var u_LightColor = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_LightColor');var u_LightPosition = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_LightPosition');var u_AmbientLight = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_AmbientLight');var u_ViewPosition = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_ViewPosition');var u_Shininess = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_Shininess');if (!u_ModelMatrix || !u_MvpMatrix || !u_NormalMatrix || !u_LightColor || !u_LightPosition || !u_AmbientLight || !u_ViewPosition || !u_Shininess) { console.log('无法获取存储位置');return;}// 设置光的颜色（白色）gl.uniform3f(u_LightColor, 1.0, 1.0, 1.0);// 设置光源的位置（世界坐标系中）gl.uniform3f(u_LightPosition, 8.5, 4.0, 3.5);// 设置环境光gl.uniform3f(u_AmbientLight, 0.2, 0.2, 0.2);// 设置观察者的位置gl.uniform3f(u_ViewPosition, 6.0, 6.0, 14.0);// 设置光泽度系数gl.uniform1f(u_Shininess, 128.0);var modelMatrix = new Matrix4();  // 模型矩阵var mvpMatrix = new Matrix4();    // 模型视图投影矩阵var normalMatrix = new Matrix4(); // 法向量变换矩阵var currentAngle = 0.0;  // Current rotation anglefunction tick(){currentAngle = animate(currentAngle);  // Update the rotation angle// 计算模型矩阵modelMatrix.setRotate(currentAngle, 0, 1, 0); // 绕 y 轴旋转// 计算视图投影矩阵mvpMatrix.setPerspective(30, canvas.width/canvas.height, 1, 100);mvpMatrix.lookAt(6, 6, 14, 0, 0, 0, 0, 1, 0);mvpMatrix.multiply(modelMatrix);// 计算用于变换法向量的矩阵，即逆转置矩阵normalMatrix.setInverseOf(modelMatrix);normalMatrix.transpose();// 将模型矩阵传递给 u_ModelMatrixgl.uniformMatrix4fv(u_ModelMatrix, false, modelMatrix.elements);// 将模型视图投影矩阵传递给 u_MvpMatrixgl.uniformMatrix4fv(u_MvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);// 将法向量变换矩阵传递给 u_NormalMatrixgl.uniformMatrix4fv(u_NormalMatrix, false, normalMatrix.elements);// 清除颜色和深度缓冲区gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);// 绘制立方体gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_BYTE, 0);requestAnimationFrame(tick, canvas); // 开启动画，每一帧都去调用}tick();
}function initVertexBuffers(gl) {// 创建立方体//    v6----- v5//   /|      /|//  v1------v0|//  | |     | |//  | |v7---|-|v4//  |/      |///  v2------v3// 顶点坐标var vertices = new Float32Array([2.0, 2.0, 2.0,  -2.0, 2.0, 2.0,  -2.0,-2.0, 2.0,   2.0,-2.0, 2.0, // v0-v1-v2-v3 前面2.0, 2.0, 2.0,   2.0,-2.0, 2.0,   2.0,-2.0,-2.0,   2.0, 2.0,-2.0, // v0-v3-v4-v5 右面2.0, 2.0, 2.0,   2.0, 2.0,-2.0,  -2.0, 2.0,-2.0,  -2.0, 2.0, 2.0, // v0-v5-v6-v1 上面-2.0, 2.0, 2.0,  -2.0, 2.0,-2.0,  -2.0,-2.0,-2.0,  -2.0,-2.0, 2.0, // v1-v6-v7-v2 左面-2.0,-2.0,-2.0,   2.0,-2.0,-2.0,   2.0,-2.0, 2.0,  -2.0,-2.0, 2.0, // v7-v4-v3-v2 下面2.0,-2.0,-2.0,  -2.0,-2.0,-2.0,  -2.0, 2.0,-2.0,   2.0, 2.0,-2.0  // v4-v7-v6-v5 后面]);// 颜色var colors = 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,     // v0-v1-v2-v3 前面0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,     // v0-v3-v4-v5 右面0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,     // v0-v5-v6-v1 上面0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,     // v1-v6-v7-v2 左面0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,     // v7-v4-v3-v2 下面0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0,  0.0, 0.0, 1.0      // v4-v7-v6-v5 后面]);// 法向量var 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,  // v0-v1-v2-v3 前面1.0, 0.0, 0.0,   1.0, 0.0, 0.0,   1.0, 0.0, 0.0,   1.0, 0.0, 0.0,  // v0-v3-v4-v5 右面0.0, 1.0, 0.0,   0.0, 1.0, 0.0,   0.0, 1.0, 0.0,   0.0, 1.0, 0.0,  // v0-v5-v6-v1 上面-1.0, 0.0, 0.0,  -1.0, 0.0, 0.0,  -1.0, 0.0, 0.0,  -1.0, 0.0, 0.0,  // v1-v6-v7-v2 左面0.0,-1.0, 0.0,   0.0,-1.0, 0.0,   0.0,-1.0, 0.0,   0.0,-1.0, 0.0,  // v7-v4-v3-v2 下面0.0, 0.0,-1.0,   0.0, 0.0,-1.0,   0.0, 0.0,-1.0,   0.0, 0.0,-1.0   // v4-v7-v6-v5 后面]);// 顶点的索引var indices = new Uint8Array([0, 1, 2,   0, 2, 3,    // 前面4, 5, 6,   4, 6, 7,    // 右面8, 9,10,   8,10,11,    // 上面12,13,14,  12,14,15,    // 左面16,17,18,  16,18,19,    // 下面20,21,22,  20,22,23     // 后面]);// 将顶点属性写入缓冲区（坐标、颜色和法向量）if (!initArrayBuffer(gl, 'a_Position', vertices, 3)) return -1;if (!initArrayBuffer(gl, 'a_Color', colors, 3)) return -1;if (!initArrayBuffer(gl, 'a_Normal', normals, 3)) return -1;// 解除绑定缓冲区对象gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);// 将顶点索引写入缓冲区对象var indexBuffer = gl.createBuffer();if (!indexBuffer) {console.log('无法创建缓冲区对象');return false;}gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);return indices.length;
}function initArrayBuffer(gl, attribute, data, num) {// 创建缓冲区对象var buffer = gl.createBuffer();if (!buffer) {console.log('无法创建缓冲区对象');return false;}// 将数据写入缓冲区对象gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);// 将缓冲区对象分配给 attribute 变量var a_attribute = gl.getAttribLocation(gl.program, attribute);if (a_attribute < 0) {console.log('无法获取 ' + attribute + ' 的存储位置');return false;}gl.vertexAttribPointer(a_attribute, num, gl.FLOAT, false, 0, 0);// 启用缓冲区对象分配gl.enableVertexAttribArray(a_attribute);return true;
}
// Rotation angle (degrees/second)
var ANGLE_STEP = 30.0;
// Last time that this function was called
var g_last = Date.now();
function animate(angle) {// Calculate the elapsed timevar now = Date.now();var elapsed = now - g_last;g_last = now;// Update the current rotation angle (adjusted by the elapsed time)var newAngle = angle + (ANGLE_STEP * elapsed) / 1000.0;return newAngle %= 360;
}

4.12 效果

看下动画效果

5 总结

  本文介绍了光照原理的基础，并在此基础上讲解了法线计算、入射光计算、反射光计算、逆转置矩阵等等，最后我们使用Blinn Phong 着色模型，通过组合高光、漫反射和环境光，实现了对一个立方体的动态光照效果渲染。本文在理解上有一定的难度，希望读者仔细体会，回见~