Android OpenGLES2.0中的光照

翻译自Android课程二：环境光和漫反射光

1.什么是光？

世界没有光就会什么也看不到，我们将无法感知这个世界活着物体。

在真实的世界里，光是由无数的光子聚合在一起形成的，它从一个光源出发，经过无数时间，最后传递到了我们的眼睛里

我们应该如何用计算机图像模拟光呢，现在有2种热门技术可以实现：光线跟踪和栅格化。光线跟踪通过数学计算跟踪真实的光线，能给出十分准确和真实的结果，但是不足之处是模拟所有的光线十分消耗计算资源，并且实时渲染速度很慢。由于这个限制，大多数的实时计算机图像使用的是栅格化技术，通过接近结果模拟光线。

2.光线的分类

我们可以抽象出光工作的方式形成三种基本的光线类型

环境光

环境光是一种基础的光线，它遍布整个场景，它没有表现出来自任何其他的光源，因为它在到达你之前经过了无数的反射。这种光能阴天的户外，或是许多不同光源累积影响的室内。没有分别计算所有独立的光，我们可以为对象或场景设置一个基本的光照等级。

漫反射光

这种光在到达教你的眼睛里经过了物体之间反射。物体的光照等级随它与光线的角度不同而变化。直面它的时候更加明亮。同样我们感知物体时无论我们相对物体的位置在哪里，亮点都是相同的。这种现象也叫兰伯特余弦定律（Lambert’s cosine law），漫反射和兰伯特反射在生活中是很常见的。

高光

和漫反射不同，高光随我们和物体的位置不同而不同，它让物体发亮和更加光滑

2.模拟光

与在3D场景中的光有3种一样，光源也有3种：直接光源、Point lighting、Spot lighting。

1.数学

学习来自一个点光源的环境光和漫反射光

环境光

环境光其实是漫反射光的一种，但是它也能被看作是充满整个场景的低级光。这样想的话，它会很容易计算

final color = material color * ambient light color

例如，有个物体是红色的，我们的环境光是灰白的。让我们假定将颜色存储为有3个颜色的数组红、绿、蓝，使用RGB 颜色模型：

final color = { 1 , 0 , 0 } * { 0.1 , 0.1 , 0.1 } = { 0.1 , 0.0 , 0.0 }

最终物体的颜色会是淡红色。基础的场景光就是这样的，除非你想要更加高级的视觉技术

漫反射光 - 点光源

对漫反射光，我们需要增加衰减和光的位置。光的位置会用来计算光和表面的角度，它会影响表面的光照的整个等级。它还用来计算光和表面的距离，并决定了那个点的光照强度。

步骤一： 计算兰伯特因子

我们需要的第一个主要的计算是计算出表明和光的角度。直面光线的表层会处于光照的最大强度。计算出这个属性的合适的方式是使用兰伯特余弦定理。如果我们有2个向量，一个是从光线到表面的一个点，第二个是曲面法线，我们可以计算出余弦值：先将各个向量归一化，因此有它们的长度为1，然后计算出2个向量的点积。这个操作能通过OpenGL ES的两个着色器轻松完成。

我们声明lambert因子，它的范围是0到1

1.

light vector = light position - obejct position cosine = dot product(object normal,normalize(light vector)) lambert factor = max(cosine,0)

首先我们通过对象位置减去光线位置计算出光线的向量，然后我们获取物体的法线和光线向量的点积，就得到了这个余弦了。归一化光线向量的意思就是改变它的长度为1。因为点积德范围是-1到1，我们把它固定到（0，1）。

这是一个例子：有个光滑的平面，表面的法线笔直的指向天。光线的位置为「0，10，-10」，或是向上10个单位，向前10个单位，我们要计算出原地的光

light vector = { 0, 10, -10} - {0, 0, 0} = {0, 10, -10} obejct normal = {0, 1, 0}

用平白的语言来说，如果我们沿着光线向量出发移动，到达光线的位置。要归一化这个向量，我们让向量的每一个标量处以向量的长度：

light vector length = square root( 0*0 + 10*10 + -10*-10) = square root(200) = 14.14 normalized light vector = {0/14.14, 10/14.14, -10/14.14} = {0, 0.707, -0.707}

然后我们计算点积

dot product({0,1,0},{0,0.707, -0.707}) = 0*0 + 1*0.707 + 0*-0.707 = 0.707 lambert factor = max(0.707,0) = 0.707

OpenGL ES 2的着色器语言已经内置了一些这种函数，所以我们不需要手动做所有的数学，但是这对我们的理解仍然有帮助。

步骤二：计算衰减因子

接着，我们需要计算衰减，真实的点光源的光线衰减遵从平方反比定律，它可以表述为： luminosity = 1 / (distance* distance) 回到我们的例子，我们知道了一个距离为14.14，所以最后我们的亮度看起来是： luminosity = 1/ (14.14*14.14) = 0.005 你可以看到，平方反比定律在距离上会导致剧烈的衰减。这就是光在真实世界中从点光源出发是怎么回事，但是我们的图像显示有限制范围，因此抑制衰减因子，我们能得到更加真实的光照而不会使物体看起来太暗了。

步骤三：计算最后的颜色

现在我们同时有了余弦和衰减因子，我们能计算出最终的光照等级：

final color = meterial color * (light color * lambert factor * luminosity)

回到之前一个例子，我们有红色的材料和全白的光源，最终的计算：

final color = {1, 0, 0} *({1,1,1}*0.707*0.005) = {1,0,0}*{0.0035,0.0035,0.0035} = {0.0035,0,0}

简单的总结一下，对漫反射光我们需要使用表面和光线的角度，还有表面和光线的距离来最终计算出整个漫反射照明等级。下面是步骤：

//one light vector = light position - object position cosine = dot product(object normal,normalize(light vector)) lambert factor = max(cosine,0) //two luminosity = 1/(distance*distance) //three final color = material color * (light color*lambert factor * luminosity)

顶点着色器

final String vertexShader = "uniform mat4 u_MVPMatrix; \n" // 一个表示进行了Model变换、View变换、投影变换的矩阵 + "uniform mat4 u_MVMatrix; \n" // 一个表示进行了Model变换和View变换的矩阵 + "uniform vec3 u_LightPos; \n" // 在眼坐标系中光的位置 + "attribute vec4 a_Position; \n" // 传入的顶点位置信息 + "attribute vec4 a_Color; \n" // 传人的每个顶点的颜色信息 + "attribute vec3 a_Normal; \n" // 每个顶点的法线信息 + "varying vec4 v_Color; \n" // 颜色信息，这个变量会传递进片段着色器中 + "void main() \n" + "{ \n" // 将顶点转化为眼坐标系 + " vec3 modelViewVertex = vec3(u_MVMatrix * a_Position); \n" // 将法线方向转移进眼坐标系 + " vec3 modelViewNormal = vec3(u_MVMatrix * vec4(a_Normal, 0.0)); \n" // 计算出顶点和光线的距离 + " float distance = length(u_LightPos - modelViewVertex); \n" // 获取从光线处到顶点的光线向量 + " vec3 lightVector = normalize(u_LightPos - modelViewVertex); \n" // 计算lambert factor，也就是计算光线向量和顶点法线的点积. 如果法线向量和光线向量指向同一个方向，则会得出最大的光照强度. + " float lambert = max(dot(modelViewNormal, lightVector), 0.1); \n" // 光线随距离的衰减 + " float diffuse = lambert * (1.0 / (1.0 + (0.25 * distance * distance))); \n" // 将颜色乘以衰减度， It will be interpolated across the triangle. + " v_Color = a_Color * diffuse; \n" // gl_Position 存储最终的位置. // 将这个向量乘以变换矩阵得到在归一屏幕坐标系中的点 + " gl_Position = u_MVPMatrix * a_Position; \n" + "} \n";

片段着色器

final String fragmentShader = "precision mediump float; \n" // Set the default precision to medium. We don't need as high of a // precision in the fragment shader. + "varying vec4 v_Color; \n" // This is the color from the vertex shader interpolated across the // triangle per fragment. + "void main() \n" // The entry point for our fragment shader. + "{ \n" + " gl_FragColor = v_Color; \n" // Pass the color directly through the pipeline. + "} \n";

光源的顶点、片段着色器

// Define a simple shader program for our point. final String pointVertexShader = "uniform mat4 u_MVPMatrix; \n" + "attribute vec4 a_Position; \n" + "void main() \n" + "{ \n" + " gl_Position = u_MVPMatrix \n" + " * a_Position; \n" + " gl_PointSize = 5.0; \n" + "} \n"; final String pointFragmentShader = "precision mediump float; \n" + "void main() \n" + "{ \n" + " gl_FragColor = vec4(1.0, \n" //直接指定片段颜色为白色 + " 1.0, 1.0, 1.0); \n" + "} \n";

有一个新的属性叫gl_PointSize是点在空间中的大小为多少个像素。