【GLSL教程】（七）逐像素的光照

逐像素的方向光（Directional Light per Pixel）
这一节将把前面的shader代码改为逐像素计算的方向光。我们需要将工作按照两个shader拆分，以确定哪些是需要逐像素操作的。
首先看看每个顶点接收到的信息：
•法线
•半向量
•光源方向
我们需要将法线变换到视点空间然后归一化。我们还需要将半向量和光源方向也归一化，不过它们已经位于视点空间中了。这些归一化之后的向量会进行插值，然后送入片断shader，所以需要声明易变变量保存这些向量。
我们也可以在顶点shader中完成一些与光和材质相关的计算，这样可以帮助平衡顶点shader和片断shader的负载。
顶点shader代码可以写成如下形式：

varying vec4 diffuse,ambient;
varying vec3 normal,lightDir,halfVector;

void main()
{
/* first transform the normal into eye space and
normalize the result */
normal = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);
/* now normalize the light's direction. Note that
according to the OpenGL specification, the light
is stored in eye space. Also since we're talking about
a directional light, the position field is actually direction */
lightDir = normalize(vec3(gl_LightSource[ 0].position));
/* Normalize the halfVector to pass it to the fragment shader */
halfVector = normalize(gl_LightSource[ 0].halfVector.xyz);
/* Compute the diffuse, ambient and globalAmbient terms */
diffuse = gl_FrontMaterial.diffuse * gl_LightSource[ 0].diffuse;
ambient = gl_FrontMaterial.ambient * gl_LightSource[ 0].ambient;
ambient += gl_FrontMaterial.ambient * gl_LightModel.ambient;

gl_Position = ftransform();
}

接下来在片断shader中，首先要声明同样的易变变量。此外还要再次对法线进行归一化，光线向量不需要进行归一化了，因为方向光对所有顶点都是一致的，插值得到的结果自然也不会变。之后就是计算插值过的法线向量与光线向量的点积。

varying vec4 diffuse,ambient;
varying vec3 normal,lightDir,halfVector;

void main()
{
vec3 n,halfV;
float NdotL,NdotHV;
/* The ambient term will always be present */
vec4 color = ambient;
/* a fragment shader can't write a varying variable, hence we need
a new variable to store the normalized interpolated normal */
n = normalize(normal);
/* compute the dot product between normal and ldir */
NdotL = max(dot(n,lightDir), 0.0);
...

如果点积结果NdotL大于0，我们就必须计算散射光，也就是用顶点shader传过来的散射项乘以这个点积。我们还需要计算镜面反射光，计算时首先对接收到的半向量归一化，然后计算半向量和法线之间的点积。

...
if (NdotL > 0.0)
{
color += diffuse * NdotL;
halfV = normalize(halfVector);
NdotHV = max(dot(n,halfV), 0.0);
color += gl_FrontMaterial.specular *
gl_LightSource[ 0].specular *
pow(NdotHV, gl_FrontMaterial.shininess);
}

gl_FragColor = color;
}

下图显示了逐像素光照和逐顶点光照效果的区别：

本节内容Shader Designer的工程下载地址：
http://www.lighthouse3d.com/wp-content/uploads/2011/03/dirpixsd.zip

逐像素的点光（Point Light Per Pixel）
本节基于前面有关方向光的内容，大部分代码都相同。本节内容主要涉及方向光和点光的不同之处。方向光一般假设光源在无限远的地方，所以到达物体时是平行光。相反，点光源有一个空间中的位置，并向四面八方辐射光线。此外，点光的强度会随到达顶点的距离而衰弱。
对于OpenGL程序来说，这两种光的区别主要有：
•光源的position域的w分量：对方向光来说它是0，表面这个position实际是一个方向（direction）；对点光来说，这个分量是1。
•点光源的衰减由三个系数决定：一个常数项，一个线性项和一个二次项。
对方向光来说，光线的方向对所有顶点相同，但是对点光来说，方向是从顶点指向光源位置的向量。因此对我们来说需要修改的就是在顶点shader中加入计算光线方向的内容。
在OpenGL中衰减是按照如下公式计算的：

式中k0是常数衰减系数，k1是线性衰减系数，k2是二次衰减系数，d是光源位置到顶点的距离。
注意衰减与距离是非线性关系，所以我们不能逐顶点计算衰减再在片断shader中使用插值结果，不过我们可以在顶点shader中计算距离，然后在片断shader中使用距离的插值计算衰减。
使用点光计算颜色值的公式为：

在上面公式中，环境光部分必须分解为两项：使用光照模型的全局环境光设置和光源中的环境光设置。顶点shader也必须分别计算这两个环境光成分。新的顶点shader如下：

varying vec4 diffuse,ambientGlobal,ambient;
varying vec3 normal,lightDir,halfVector;
varying float dist;

void main()
{
vec4 ecPos;
vec3 aux;
normal = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);

/* these are the new lines of code to compute the light's direction */
ecPos = gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex;
aux = vec3(gl_LightSource[ 0].position-ecPos);
lightDir = normalize(aux);
dist = length(aux);
halfVector = normalize(gl_LightSource[ 0].halfVector.xyz);

/* Compute the diffuse, ambient and globalAmbient terms */
diffuse = gl_FrontMaterial.diffuse * gl_LightSource[ 0].diffuse;
/* The ambient terms have been separated since one of them */
/* suffers attenuation */
ambient = gl_FrontMaterial.ambient * gl_LightSource[ 0].ambient;
ambientGlobal = gl_FrontMaterial.ambient * gl_LightModel.ambient;
gl_Position = ftransform();
}

在片断shader中需要计算衰减，还需要将插值得到的光线方向向量归一化，因为一般来说照到每个顶点的光线方向都不同。

varying vec4 diffuse,ambientGlobal, ambient;
varying vec3 normal,lightDir,halfVector;
varying float dist;

void main()
{
vec3 n,halfV,viewV,ldir;
float NdotL,NdotHV;
vec4 color = ambientGlobal;
float att;
/* a fragment shader can't write a varying variable, hence we need
a new variable to store the normalized interpolated normal */
n = normalize(normal);
/* compute the dot product between normal and normalized lightdir */
NdotL = max(dot(n,normalize(lightDir)), 0.0);
if (NdotL > 0.0)
{
att = 1.0 / (gl_LightSource[ 0].constantAttenuation +
gl_LightSource[ 0].linearAttenuation * dist +
gl_LightSource[ 0].quadraticAttenuation * dist * dist);
color += att * (diffuse * NdotL + ambient);
halfV = normalize(halfVector);
NdotHV = max(dot(n,halfV), 0.0);
color += att * gl_FrontMaterial.specular * gl_LightSource[ 0].specular *
pow(NdotHV,gl_FrontMaterial.shininess);
}
gl_FragColor = color;
}

下图显示了固定功能的逐顶点与本节中逐像素计算得到的点光效果：

本节内容Shader Designer工程下载地址：
http://www.lighthouse3d.com/wp-content/uploads/2011/03/pointlightsd.zip

逐像素的聚光（Spot Light Per Pixel）
本节内容与上一节基本一致，唯一不同的就是聚光不同于点光，其发出的光线被限制在一个圆锥体中。
对于OpenGL程序来说，这两种光的区别主要有：
•聚光包含一个方向向量spotDirection，表示圆锥体的轴。
•圆锥体包含一个角度，在GLSL中可以使用应用程序设置的角度值以及对应的余弦值spotCosCutoff。
•最后还有一个衰减速率spotExponent，它表示从圆锥的中心轴向外表面变化时光强度的衰减。
聚光的顶点shader与点光完全相同，我们只需要对片断shader进行一些修改。只有当当前片断位于聚光的光锥内时，才需要对散射光、镜面反射光和环境光成分进行着色。所以我们首先要检查这个条件。
光源与某点连线向量以及聚光方向向量（spotDirection）之间夹角的余弦值必须大于spotCosCutoff，否则此点位于聚光之外，只能接收到全局环境光。

...

n = normalize(normal);

/* compute the dot product between normal and ldir */
NdotL = max(dot(n,normalize(lightDir)), 0.0);

if (NdotL > 0.0)
{
spotEffect = dot(normalize(gl_LightSource[ 0].spotDirection),
normalize(-lightDir));
if (spotEffect > gl_LightSource[ 0].spotCosCutoff)
{
/* compute the illumination in here */
}
}

gl_FragColor = ...

下面的光照计算与点光非常相似，唯一区别是衰减必须乘以聚光效果（spotlight effect），这个值按如下公式计算：

上式中spotDirection来自OpenGL中设置的状态，lightDir是光源到某点的向量，spotExp是聚光衰减率，这个值也是在OpenGL程序中设置的，它用来控制从聚光光锥中心到边缘的衰减。spotExp越大衰减越快，如果为0表示在光锥内光强是常数。

spotEffect = pow(spotEffect, gl_LightSource[ 0].spotExponent);
att = spotEffect / (gl_LightSource[ 0].constantAttenuation +
gl_LightSource[ 0].linearAttenuation * dist +
gl_LightSource[ 0].quadraticAttenuation * dist * dist);

color += att * (diffuse * NdotL + ambient);

halfV = normalize(halfVector);
NdotHV = max(dot(n,halfV), 0.0);
color += att * gl_FrontMaterial.specular *
gl_LightSource[ 0].specular *
pow(NdotHV,gl_FrontMaterial.shininess);

下图分别显示了使用固定功能流水线的逐顶点光照计算，以及使用本节shader的逐像素光照计算得到的聚光效果。

本节内容Shader Designer的工程下载地址：
http://www.lighthouse3d.com/wp-content/uploads/2011/03/spotlightsd.zip