webGL 光照

Posted 2020-09-09 Heavi的博客

1.着色（shading）

    在三维图形学术语“着色”的真正含义就是，根据光照条件重建“物体各表面明暗不一的效果”的过程。明白着色过程，需要考虑两件事：
    1.发出光线的光源类型。
    2.物体表面如何反射光线。

2.光源类型
    真实世界中的光主要有两种，平行光（directional light），类似于自然中的太阳光；点光源光（point light），类似于人造灯泡的光。此外，我们还用环境光（ambient light）来模拟真实世界中的非直射光（也就是由光源发出后经过墙壁或其他物体反射后的光）。

3.反射类型
    物体表面反射光线的方式由两种：漫反射（diffuse reflection）和环境反射（enviroment ambient reflection）。

4.漫反射

    在漫反射中，反射光的颜色取决于入射光的颜色、表面的基底色、入射光与表面形成的入射角。我们将入射角定义为入射光与表面的法线形成的夹角，并用θ表示，那么慢反射的颜色可根据下式计算得到：

<漫反射光颜色> = <入射光颜色> * <表面基底色> * cos θ

5.环境反射

    环境反射光颜色计算根据下式计算得到：

<环境反射光颜色> = <入射光颜色> * <表面基底色>

    说明:当漫反射和环境反射同时存在时，将两者加起来，就得到物体最终被观察到的颜色：

<表面的反射光颜色> = <漫反射光颜色> + <环境反射光颜色>

6.根据光线和表面的方向计算入射角

    我们无法预先确定光线讲义怎样的角度照射到每个表面上。但是，我们可以确定每个表面的朝向。在指定光源的时候，再确定光的方向，就可以用着两项信息来计算出入射角了。

    幸运的是，我们可以通过计算两个矢量的点积，来计算着两个矢量的夹角余弦值cosθ。我们使用点符号（.）来表示点积运算。这样，就可以通过下式计算出来：

cosθ = <光线方向> * <法线方向>

    根据漫反射光颜色计算公式，可得到：

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

    特别要强调的是，光线方向和法线方向的矢量坐标都必须归一化。即矢量的长度为1。

7.法向量

    物体表面的朝向，即垂直于表面的方向，又称为法线或法向量。法向量有三个分量，向量（nx, ny, nz)表示从原点(0, 0, 0)指向(nx, ny, nz)的方向。比如说，向量（1, 0, 0)表示x轴正方向，向量(0, 0, 1）表示z轴正方向。    

8.normalize(vec3)归一化矢量参数

    normalize是GLSL ES提供的内置函数，对矢量参数归一化。例如：

vec3 normal = normalize(vec3(a_Normal)); // 对法向量归一化

9.dot(vec1, vec2)矢量点积

    GLSL ES提供的内置函数dot()计算两个矢量的点积，该函数接收两个矢量作为参数，返回它们的点积。例如：

float dot = max(dot(u_LightDirection, normal), 0.0); // 计算光线方向和法向量点积

    点积值小于0，意味着cosθ中的θ大于90度。θ是入射角，也就是入射反方向（光线方向）与表面法线向量的夹角，θ大于90度说明光照在表面的额背面上，这时将点积赋值为0.0。

10.魔法矩阵：逆转置矩阵

    我们知道，对顶点进行变换的矩阵称为模型矩阵。如何计算变换之后的法向量呢？只要将变换之前的法向量乘以模型矩阵的逆转置矩阵（inverse transpose matrix）即可。所谓你转置矩阵，就是逆矩阵的转置。

    逆矩阵的含义，如果矩阵M的逆矩阵为R，那么R*M或M*R的结果都是单位矩阵。转置的意思是，将矩阵的行列进行调换（看上去就像是沿着左上-右下对角线进行了翻转）。

    求逆转置矩阵的两个步骤：

    1.求原矩阵的逆矩阵。

    2.将上一步求得你矩阵进行转置。