本人刚学OpenGL不久且自学，文中定有代码、术语等错误，欢迎指正
我写的项目地址：https://github.com/liujianjie/LearnOpenGLProject
投光物
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前面几节使用的光照都来自于空间中的一个点
即把光源当做一个点
但现实世界中，我们有很多种类的光照，每种的表现都不同。
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投光物
将光投射(Cast)到物体的光源叫做投光物
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小结
我做个小总结，与前面几节把光源当做一个点的区别
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平行光
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与一个点做光源不一样
点光源需要位置
平行光需要方向
所以在实现计算光源对片段的漫反射、镜面光影响，要得到光源的方向方式会不一样
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点光源
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与一个点做光源一样需要位置
在实现计算光源对片段的漫反射、镜面光影响，要得到光源的方向方式会一样
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点光源会衰减，前面的点光不会
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聚光灯
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与一个点做光源一样需要位置
在实现计算光源对片段的漫反射、镜面光影响，要得到光源的方向方式会一样
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聚光灯照射一个特点方向的范围，前面的点光没有范围且四周散射
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平行光
这里需要定义平行光的方向向下，才符合太阳的光照照射（指向）方向，所以计算漫反射和镜面光强度的时候需要取反得到光源的方向向量。
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简介
当我们使用一个假设光源处于无限远处的模型时，它就被称为定向光，因为它的所有光线都有着相同的方向，它与光源的位置是没有关系的。
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图示
计算漫反射和镜面光分量时光源的方向
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特点
因为所有的光线都是平行的，所以物体与光源的相对位置是不重要的，因为对场景中每一个物体光的方向都是一致的。
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例子
定义一个光线方向向量而不是位置向量来模拟一个定向光。
这个光线方向是从光源指向像素点的方向，若要模仿太阳光从上往下照射，各个分量值应该为负的
cpp
lightingShader.setVec3("light.direction", -0.2f, -1.0f, -0.3f);// 太阳光向下glsl
#version 330 core out vec4 FragColor; in vec3 Normal; in vec3 FragPos; in vec2 TexCoords;// 纹理坐标 uniform vec3 viewPos; struct Material { sampler2D diffuse; // 纹理单元 sampler2D specular;// 镜面光照颜色分量从纹理采样 float shininess; }; uniform Material material; // 光照强度 struct Light { // vec3 position; // 使用平行光就不再需要位置了 vec3 direction; // 从光源出发到全局的方向 vec3 ambient; vec3 diffuse; vec3 specular; }; uniform Light light; void main() { // 取负变为光源的方向向量，用在计算漫反射和镜面光分量时 vec3 lightDir = normalize(-light.direction); // 环境光光照分量 float ambientStrength = 0.1; // 从漫反射纹理读取颜色分量 vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)); // 漫反射光照分量 vec3 norm = normalize(Normal); // vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);// 一个点做光源才需要这样相减计算片段到光源的方向向量 float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0); // 得到光源对当前片段实际的漫反射影响 vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));// 从漫反射纹理读取颜色分量 // 镜面光照分量 float specularStrength = 0.5; vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos); // 是观察者方向，不是观察者看向的方向 vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm); float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);// 光源对当前片段的镜面光影响 // vec3 specular = light.specular * (spec * material.specular); // 改变在这里 // 采样镜面光纹理颜色作为镜面光照颜色分量 vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords)); vec3 result = (ambient + diffuse + specular) ; FragColor = vec4(result, 1.0); }-
说明
依旧是冯氏光照模型
vec3 lightDir = normalize(-light.direction);
因为direction是光源指向像素点，加了负号以后成为像素点指向光源（光源的方向），这样才能与前面小节相符，正确计算光源对片段的漫反射和镜面光影响。
对应开头的小结
在实现计算光源对片段的漫反射、镜面光影响，要得到光源的方向方式会不一样
// vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);// 一个点做光源才需要这样相减计算片段到光源的方向向量 // 取负变为光源的方向向量，用在计算漫反射和镜面光分量时 vec3 lightDir = normalize(-light.direction); float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0); // 得到光源对当前片段实际的漫反射影响
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点光源
这里算距离与衰减，无论是光源的方向还是光源的指向方向都可以，但是计算漫反射和镜面光强度还是依旧用光的方向向量。
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介绍
处于世界中某一个位置的光源，它会朝着所有方向发光，但光线会随着距离逐渐衰减
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图
计算漫反射和镜面光分量时光源的方向图就不用画了，就是片段指向灯泡
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重点在于如何定义衰减，即距离与衰减系数关系
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若用线性
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距离的增长线性地减少光的强度，从而让远处的物体更暗
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这样的线性方程通常会看起来比较假
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用以下公式才是稍好的选择
定义3个（可配置的）项：常数项Kc、一次项Kl和二次项Kq。
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解读
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常数项Kc通常保持为1.0，它的主要作用是保证分母永远不会比1小，否则的话在某些距离上它反而会增加强度，这肯定不是我们想要的效果。
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一次项Kl会与距离值相乘，以线性的方式减少强度。
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二次项Kq会与距离的平方相乘，让光源以二次递减的方式减少强度。
二次项在距离比较小的时候影响会比一次项小很多，但当距离值比较大的时候它就会比一次项更大了。
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效果
光在近距离时亮度很高、随着距离变远亮度迅速降低、最后会以更慢的速度减少亮度
匹配
现实：灯在近处通常会非常亮、随着距离的增加光源的亮度一开始会下降非常快、但在远处时剩余的光强度就会下降的非常缓慢
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选择正确的值
距离 常数项 一次项 二次项 7 1.0 0.7 1.8 13 1.0 0.35 0.44 20 1.0 0.22 0.20 32 1.0 0.14 0.07 50 1.0 0.09 0.032 65 1.0 0.07 0.017 100 1.0 0.045 0.0075 160 1.0 0.027 0.0028 200 1.0 0.022 0.0019 325 1.0 0.014 0.0007 600 1.0 0.007 0.0002 3250 1.0 0.0014 0.000007
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例子
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glsl
#version 330 core out vec4 FragColor; struct Material { sampler2D diffuse; // 纹理单元 sampler2D specular;// 镜面光照颜色分量从纹理采样 float shininess; }; // 点光源 struct Light { vec3 position; // 需要位置 vec3 ambient; vec3 diffuse; vec3 specular; float constant; // 常数 float linear; // 一次项 float quadratic;// 二次项 }; in vec3 FragPos; in vec3 Normal; in vec2 TexCoords;// 纹理坐标 uniform vec3 viewPos; uniform Material material; uniform Light light; void main() { // 环境光光照分量 // 从漫反射纹理读取颜色分量 vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)); // 漫反射光照分量 vec3 norm = normalize(Normal); vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 得到光源的方向,与一个点做光源一样 float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0); // 得到光源对当前片段实际的漫反射影响 vec3 diffuse = light.diffuse * diff * texture(material.diffuse, TexCoords).rgb;// 从漫反射纹理读取颜色分量 // 镜面光照分量 vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos); // 是观察者方向，不是观察者看向的方向 vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm); // reflect要求第一个参数是光源指向像素点的向量 float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);// 光源对当前片段的镜面光影响 // 采样镜面光纹理颜色作为镜面光照颜色分量 //vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords)); // 这句也行 vec3 specular = light.specular * spec * texture(material.specular, TexCoords).rgb; // 计算衰减 float distance = length(light.position - FragPos); // 得到光源到片段长度 float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance // 根据公式 + light.quadratic * distance * distance); // 光照分量随距离衰减 ambient *= attenuation; diffuse *= attenuation; specular *= attenuation; vec3 result = (ambient + diffuse + specular) ; FragColor = vec4(result, 1.0); }-
说明
与一个点做光源一样，用光源的位置减去片段位置得到光源的方向
vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 得到光源的方向,与一个点做光源一样
cpp
lightingShader.setFloat("light.constant", 1.0f); lightingShader.setFloat("light.linear", 0.09f); lightingShader.setFloat("light.quadratic", 0.032f); -
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重要bug
箱子发生旋转，法线也要跟随着变换，不然法线不再垂直顶点，会导致如下不正确效果
所以需要在vs阶段需计算发生变换后的法线
#version 330 core layout (location = 0) in vec3 aPos; layout (location = 1) in vec3 aNormal; layout (location = 2) in vec2 aTexCoords; uniform mat4 view; uniform mat4 projection; uniform mat4 model; out vec3 FragPos; out vec3 Normal; out vec2 TexCoords; void main() { gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0); FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0)); // Normal = aNormal;// 只有顶点只发生位移时才可以保持不变 Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal; TexCoords = aTexCoords; }以下正确结果
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聚光
这里定义光源的位置为摄像机的位置向量，计算漫反射和镜面光反射，得摄像机的位置减去像素点的位置就成光的方向向量。
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简介
位于环境中某个位置的光源，它只朝一个特定方向而不是所有方向照射光线。
这样的结果就是只有在聚光方向的特定半径内的物体才会被照亮，其它的物体都会保持黑暗。
聚光很好的例子就是路灯或手电筒
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opengl上表示
OpenGL中聚光是用一个世界空间位置、一个方向和一个切光角来表示，切光角指定了聚光的半径
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实现思路
对于每个片段，我们会计算片段是否位于聚光的切光方向之间（也就是在锥形内），如果是的话，我们就会相应地照亮片段
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图示
LightDir：从片段指向光源的向量。SpotDir：聚光所指向的方向。（但实际计算时，取反方向）Phiϕ：指定了聚光半径的切光角。落在这个角度之外的物体都不会被这个聚光所照亮。Thetaθ：LightDir向量和SpotDir向量之间的夹角。在聚光内部的话θ值应该比ϕ值小。
要做的就是计算LightDir向量和SpotDir向量之间的点积，等于cosθ值，将cosθ值与切光角cosϕ值对比
不平滑的例子
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计算向量图示
算theta时，为了与光的方向向量对应，dot(光的方向向量，取反光源照射前方向量)
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代码
#version 330 core out vec4 FragColor; struct Material { sampler2D diffuse; // 漫反射颜色分量从纹理采样 sampler2D specular;// 镜面光照颜色分量从纹理采样 float shininess; }; // 聚光灯 struct Light { vec3 position; // 需要位置 vec3 direction;// 需要照射方向 float cutOff; vec3 ambient; vec3 diffuse; vec3 specular; float constant; // 常数 float linear; // 一次项 float quadratic;// 二次项 }; in vec3 FragPos; in vec3 Normal; in vec2 TexCoords;// 纹理坐标 uniform vec3 viewPos; uniform Material material; uniform Light light; void main() { // 光源的方向向量：像素点指向光源 vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 算出theta，dot(像素点指向光源，光源照射的方向取反） float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction)); // float theta=dot(-lightDir, normalize(light.direction));// dot(光源指向像素点, 光源照射的方向) // 执行正常光照计算：由于theta是cos值，cutOff也是cos值，cos(0-90)递减，所以theta>，而不是< if(theta > light.cutOff){ // 片段在切角内 // 从漫反射纹理读取颜色分量 vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)); // 漫反射光照分量 vec3 norm = normalize(Normal); vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 得到光源的方向,与一个点做光源一样 float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0); // 得到光源对当前片段实际的漫反射影响 vec3 diffuse = light.diffuse * diff * texture(material.diffuse, TexCoords).rgb;// 从漫反射纹理读取颜色分量 // 镜面光照分量 vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos); // 是观察者方向，不是观察者看向的方向 vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm); // reflect要求第一个参数是光源指向像素点的向量 float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);// 光源对当前片段的镜面光影响 // 采样镜面光纹理颜色作为镜面光照颜色分量 //vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords)); // 这句也行 vec3 specular = light.specular * spec * texture(material.specular, TexCoords).rgb; // 计算衰减 float distance = length(light.position - FragPos); // 得到光源到片段长度 float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance // 根据公式 + light.quadratic * distance * distance); // 光照分量随距离衰减 ambient *= attenuation; diffuse *= attenuation; specular *= attenuation; vec3 result = (ambient + diffuse + specular) ; FragColor = vec4(result, 1.0); }else{ // 片段不在切角内：计算环境光，以免全黑 FragColor = vec4(light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)), 1.0) ; } }上传数据
lightingShader.setVec3("light.position", camera.Position); lightingShader.setVec3("light.direction", camera.Front); lightingShader.setFloat("light.cutOff", glm::cos(glm::radians(12.5f)));-
说明
算theta时，为了与光的方向向量对应，dot(像素点指向光源，光源照射的方向取反）
float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));与一个点做光源一样，用光源的位置减去片段位置得到光源的方向
vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 得到光源的方向,与一个点做光源一样 -
注意点theta > light.cutOff
因为上传给cutOff的是已经计算好了的cos值，且theta也是cosθ值（cosθ=dot(lightDir, normalize(-light.direction)))
cos(0-90内)递减，所以theta >light.cutOff，代表当前夹角要比规定的范围角度要小，需要照亮
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效果
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疑问点
为什么，计算cos角度要用弧度值
lightingShader.setFloat("light.cutOff", glm::cos(glm::radians(12.5f)));glm::cos()；接收的参数需要是弧度值
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测试点积两个向量的方向
glm::vec3 lightDir = camera.Position; glm::vec3 lightdirection = camera.Front; float theta1 = glm::dot(lightDir, glm::normalize(-lightdirection));// 对应第一个图 cout << "像素点指向光源：" << theta1 << endl; float theta2 = glm::dot(-lightDir, glm::normalize(lightdirection));// 对应第二个图 cout << "光源指向像素点：" << theta2 << endl;
方向一样，点积值一样
平滑例子
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引入
如上一个例子，发现聚光灯的光圈边缘并不平滑
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解决方法
我们可以将内圆锥设置为上一个例子聚光灯的圆锥，但我们也需要一个外圆锥，来让光从内圆锥逐渐减暗，直到外圆锥的边界。
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融入代码中
为了创建一个外圆锥，我们只需要再定义一个余弦值来代表聚光灯方向向量和外圆锥向量（等于它的半径）的夹角
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边缘平滑且圆锥内正常思路
如果一个片段处于内外圆锥之间，将会给它计算出一个0.0到1.0之间的强度值。
如果片段在内圆锥之内，它的强度就是1.0。
如果在外圆锥之外强度值就是0.0。
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公式来计算边缘平滑且圆锥内正常
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理解方式一
θ = dot(像素点指向光源，光源照射的方向取反）= cos(它们之间的夹角)
γ = cos（外圆角度）
ϵ(Epsilon) = cos(内圆角度) - cos（外圆角度）
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结合下方图表理解
θ = cos（θ（角度） = dot(像素点指向光源，光源照射的方向取反）= cos(它们之间的夹角)
γ = cos（γ（角度））= γ（外光切）
ϵ(Epsilon) = ϕ（内光切）- γ（外光切）
θ θ（角度） ϕ（内光切） ϕ（角度） γ（外光切） γ（角度） ϵ I 0.87 30 0.91 25 0.82 35 0.91 - 0.82 = 0.09 0.87 - 0.82 / 0.09 = 0.56 0.9 26 0.91 25 0.82 35 0.91 - 0.82 = 0.09 0.9 - 0.82 / 0.09 = 0.89 0.97 14 0.91 25 0.82 35 0.91 - 0.82 = 0.09 0.97 - 0.82 / 0.09 = 1.67 0.83 34 0.91 25 0.82 35 0.91 - 0.82 = 0.09 0.83 - 0.82 / 0.09 = 0.11 0.64 50 0.91 25 0.82 35 0.91 - 0.82 = 0.09 0.64 - 0.82 / 0.09 = -2.0 0.966 15 0.9978 12.5 0.953 17.5 0.9978 - 0.953 = 0.0448 0.966 - 0.953 / 0.0448 = 0.29 -
个人发现图表有错（也许没错）
最后一行：cos值计算错了
cos（12.5）=0.976，而表中的0.9978是cos(12.5rad)，把12.5当做弧度来计算cos值
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转换为代码
glsl
#version 330 core out vec4 FragColor; struct Material { sampler2D diffuse; // 漫反射颜色分量从纹理采样 sampler2D specular;// 镜面光照颜色分量从纹理采样 float shininess; }; // 聚光灯 struct Light { vec3 position; // 需要位置 vec3 direction;// 需要照射方向 float cutOff; // ϕ（内光切） float outerCutOff;// γ（外光切） vec3 ambient; vec3 diffuse; vec3 specular; float constant; // 常数 float linear; // 一次项 float quadratic;// 二次项 }; in vec3 FragPos; in vec3 Normal; in vec2 TexCoords;// 纹理坐标 uniform vec3 viewPos; uniform Material material; uniform Light light; void main() { // 光源的方向向量：像素点指向光源 vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 算出theta，dot(像素点指向光源，光源照射的方向取反） float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction)); // float theta=dot(-lightDir, normalize(light.direction));// dot(光源指向像素点, 光源照射的方向) // 从漫反射纹理读取颜色分量 vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)); // 漫反射光照分量 vec3 norm = normalize(Normal); // vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos); // 得到光源的方向 float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0); vec3 diffuse = light.diffuse * diff * texture(material.diffuse, TexCoords).rgb;// 从漫反射纹理读取颜色分量 // 镜面光照分量 vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos); // 是观察者方向，不是观察者看向的方向 vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm); // reflect要求第一个参数是光源指向像素点的向量 float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);// 光源对当前片段的镜面光影响 // 采样镜面光纹理颜色作为镜面光照颜色分量 //vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords)); // 这句也行 vec3 specular = light.specular * spec * texture(material.specular, TexCoords).rgb; // 计算衰减 float distance = length(light.position - FragPos); // 得到光源到片段长度 float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance // 根据公式 + light.quadratic * distance * distance); // 光照分量随距离衰减 ambient *= attenuation; diffuse *= attenuation; specular *= attenuation; // 为了边缘平滑且圆锥内正常 float epsilon = light.cutOff - light.outerCutOff; float intensity = clamp((theta - light.outerCutOff) / epsilon, 0.0, 1.0); // 将不对环境光做出影响，让它总是能有一点光 diffuse *= intensity; specular *= intensity;// 聚光灯受影响 vec3 result = (ambient + diffuse + specular) ; FragColor = vec4(result, 1.0); }lightingShader.use(); lightingShader.setVec3("viewPos", camera.Position); lightingShader.setVec3("light.position", camera.Position); lightingShader.setVec3("light.direction", camera.Front);// direction是光照射方向 lightingShader.setFloat("light.cutOff", glm::cos(glm::radians(12.5f))); //ϕ（内光切） lightingShader.setFloat("light.outerCutOff", glm::cos(glm::radians(17.5f)));// γ（外光切） -
效果
