光源模型在线视频

各位同学大家好

今天的主要通过模型高光的展示

来介绍两种不同着色器编程的方法

首先

我们来看一下高光的基本物理原理

高光是物体表面的镜面反射分量产生的高亮效果

它与光源的形状 位置 物体表面的性质

相机或眼睛所在的位置相关

当光源发出的光

通过物体表面的镜面反射进入到相机时

就可以在反射位置看到一个高光点

实际物体的镜面反射效果

有点类似于从入射点沿镜面反射方向的聚光灯模型

如果是纯粹的镜子

那么只有反射方向有光强

否则

光强可以认为按指数规律衰减

物体表面越光滑 衰减越快

高光面积越小 能量越集中

物体表面越粗糙 则能量越分散

最终成为纯散射光

可使用冯氏模型计算镜面反射光分量

在冯氏模型中

N是模型的法线向量

L是光源的方向

E是视线方向

一个需要计算的量是H

它是L与E之间夹角的平分矢量

一般称为半程向量

高光的反射强度就与N矢量和H矢量之间的夹角有关

高光的强度可以用N点乘H的指数来表示

公式中的s越大

光强的能量越集中

一般

s可以取20左右的值

这个示例代码是片段着色器中对光照情况的计算

lightDirection是归一化的光源方向矢量

由光源位置和片段坐标相减获得

注意这里使用的依然是视图坐标系

使用的坐标都是在顶点着色器中变换过来的

lightBrightness是漫反射的光强值

与上节课中的计算方法相同

高光用specularLight变量来记录

它只有在漫反射大于零的时候才有意义

计算过程中

首先

归一化摄像机方向eyeDirection

由于摄像机位于原点

因此

它就是片段对应的坐标矢量的反方向

然后计算半程向量

它的方向

就是光源方向与摄像机方向的和

NdotH

就是法线与半程向量的点乘结果

同样它不能取负值

所以用max函数保证其最小值为0

Specular是高光的光强

它用NdotH的幂来计算

幂指数是cShininess

这里取值为常数16

最后

specularLight的值为specular与四维单位矢量的的乘积

最终的片段颜色由两部分组成

一部分是纹理数据与lightBrightness的乘积

另外一部分就是刚才计算的specularLight

在上节课中的漫反射模型中

我们是在顶点着色器中计算漫反射强度的

而这里

我们是在片段着色器中进行计算

两种方式分别被称为

逐顶点照明和逐片段照明

或者说逐像素照明

逐顶点照明的优点是效率很高

因为我们只需计算模型中每个顶点的照明

然后将得出的照明结果在片段着色器中插值即可

例如

一个三角形将只执行3次照明计算

因为它只有三个顶点

逐顶点照明的主要缺点是

我们假定

由顶点组成的三角形的表面上

照明强度的变化是线性变化的

这可能会产生一些不太真实的照明效果

降低照明模型的品质

这是逐顶点照明的示例

可以看到这个球体高光附近比较明显的不和谐部分

可以看出其组成的三角形

虽然每个三角形内部色彩是均匀变化的

但边界上的显示效果就非常不自然了

逐片段照明不如逐顶点照明高效

因为我们要计算对象在屏幕空间中占用的每个片段的照明信息

此时顶点着色器仅用于执行

计算照明所需要的法线

和空间变换等其他照明相关的计算

并通过varying将计算结果发送到片段着色器

随后 这些计算结果将在整个三角形内进行插值

以获得对应片段的值

例如

如果在屏幕空间中绘制的三角形占用24个像素

则在使用逐片段照明时我们将执行24次照明计算

而不仅仅是逐顶点照明中

3次照明计算

逐片段照明的主要优点是

我们可以计算

屏幕空间中多边形表面上每个片段的照明强度

这样可以使照明模型的效果更加有效和自然

这是逐片段照明的示例

每个像素的颜色单独计算

结果更平滑

从这个示意图可以更直观看出

逐顶点照明与逐片段照明的区别

这里

AB是一个三角形的两个顶点

从图中可以看出A点不会有高光

B点甚至照射不到

如果是逐顶点照明

C点的光照强度

是A点和B点插值而来

也就不会有高光

而如果是逐片段照明

A点法线与B点的法线经过插值在C点符合高光条件

C点将产生高光的中心

高光的强度在C点周围也会随指数规律递减

这样效果会更加符合实际情况

这里把逐顶点照明与逐片段照明的对比

显示出来

后者的效果明显比前者要好太多了

好 今天的课程就到这里

谢谢大家