LearnOpenGL->Lighting->Light-casting object/multiple light sources

floodlight

The lighting we currently use comes from a point in space . It can give us good effects, but in the real world, we have many kinds of lighting, each of which behaves differently. The light source that projects light onto an object is called a light caster . In this section, we'll discuss a few different types of light projectors. Learning to simulate different types of light sources is another tool that can further enrich your scene .

We will first discuss Directional Light , then Point Light , which is an extension of the light source we learned before, and finally we will discuss Spotlight . In the next section we'll discuss how to integrate these different types of lighting into a scene.

parallel light

When a light source is far away, each ray from the light source will be approximately parallel to each other. Regardless of the position of the object and/or observer, it appears as if all light is coming from the same direction. When we use a model that assumes the light source is at infinity , it is called a directional light because all its rays have the same direction and it has nothing to do with the position of the light source .

A great example of directional light is the sun. The sun is not infinitely far away from us, but it is far enough away that it can be considered infinite in lighting calculations. So all rays from the sun will be simulated as parallel rays, as we can see in the image below:

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。由于光的位置向量保持一致，场景中每个物体的光照计算将会是类似的。

我们可以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。着色器的计算基本保持不变，但这次我们将直接使用光的direction向量而不是通过position来计算lightDir向量。

struct Light {
    // vec3 position; // 使用定向光就不再需要光源的位置;
    vec3 direction;

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};
...
voidmain(){
  vec3 lightDir = normalize(-light.direction);//注意此处要进行取反，原因在下面;
  ...
}

注意我们首先对light.direction向量取反。我们目前使用的光照计算需求一个从片段至光源的光线方向，但人们更习惯定义定向光为一个从光源出发的全局方向。所以我们需要对全局光照方向向量取反来改变它的方向，它现在是一个指向光源的方向向量了。而且，记得对向量进行标准化，假设输入向量为一个单位向量是很不明智的。

最终的lightDir向量将和以前一样用在漫反射和镜面光计算中。

为了清楚地展示定向光对多个物体具有相同的影响，我们将会再次使用坐标系统章节最后的那个箱子派对的场景。如果你错过了派对，我们先定义了十个不同的箱子位置，并对每个箱子都生成了一个不同的模型矩阵，每个模型矩阵都包含了对应的局部-世界坐标变换：

for(int i = 0; i < 10; i++)
{
    glm::mat4 model;
    model = glm::translate(model, cubePositions[i]);
    float angle = 20.0f * i;
    model = glm::rotate(model, glm::radians(angle), glm::vec3(1.0f, 0.3f, 0.5f));
    lightingShader.setMat4("model", model);

    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
}

下面是我的代码:

while (!glfwWindowShouldClose(window))
    {
        float currentime = glfwGetTime();
        deltatime = currentime - lastime;
        lastime = currentime;

        //准备输入:
        processInput(window);

        //每一次更新缓冲颜色，之后继续画下一帧;
        glClearColor(0.0f, 0.05f, 0.05f, 1.0f);
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);//清除颜色缓冲单元;
        glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);//清除深度缓存冲单元;

        //创建三个变换矩阵;
            //先初始化三个单位矩阵;
        glm::mat4 projection = glm::mat4(1.0f);
        glm::mat4 view = glm::mat4(1.0f);
        glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f);

        //创建一个随时间旋转的矩阵:
        lightshader.useProgram();//启用着色器程序;

        //人眼的位置viewPos;
        glUniform3f(glGetUniformLocation(lightshader.ID, "viewPos"), cameraPos.x, cameraPos.y, cameraPos.z);

        view = glm::lookAt(cameraPos, cameraPos + cameraFront, cameraUp);
        projection = glm::perspective(glm::radians(fov), (float)800 / (float)600, 0.1f, 100.0f);

        //将变换矩阵传入着色器;注意到由于变换随时发生，要每一次迭代都进行,因此要放在里面;

        //glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(lightshader.ID, "model"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
        glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(lightshader.ID, "view"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(view));
        glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(lightshader.ID, "projection"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(projection));

        //设置光照分量;和位置;
        glUniform3f(glGetUniformLocation(lightshader.ID, "light.ambient"), 0.2f, 0.2f, 0.2f);
        glUniform3f(glGetUniformLocation(lightshader.ID, "light.specular"), 2.0f, 2.0f, 2.0f);
        glUniform3f(glGetUniformLocation(lightshader.ID, "light.diffuse"), 0.5f, 0.5f, 0.5f);
        //glUniform3f(glGetUniformLocation(lightshader.ID, "light.position"), lightPos.x, lightPos.y, lightPos.z);
        glUniform3f(glGetUniformLocation(lightshader.ID, "light.direction"), -1.2f, -1.0f, -2.0f);//注意到这是光照的方向;

        //将自己定义的材质输入着色器;
        lightshader.setFloat("material.shininess", 64.0f);

        //漫反射贴图(漫反射传入贴图的颜色);
        glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, diffuseMap);//绑定之后该纹理就到了纹理单元里面了;

        //镜面光贴图;
        glActiveTexture(GL_TEXTURE1);//启用下一个纹理单元;
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, specularMap);


        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            model = glm::translate(model, cubePositions[i]);
            float angle = 20.0f;
            model = glm::rotate(model, glm::radians(angle * i), glm::vec3(1.0f, 0.3f, 0.5f));
            glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(lightshader.ID, "model"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
            glBindVertexArray(VAO);//绑定VAO;
            glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
        }
        //更新缓冲;
        glfwSwapBuffers(window);
        //进行检查;
        glfwPollEvents();
    }

同时，不要忘记定义光源的方向（注意我们将方向定义为从光源出发的方向，你可以很容易看到光的方向朝下）。

lightingShader.setVec3("light.direction", -0.2f, -1.0f, -0.3f);

结果:

可以看到好像有一个太阳一样的光源对所有的物体投光，漫反射和镜面光分量的反应都好像在天空中有一个光源的感觉。

点光源

定向光对于照亮整个场景的全局光源是非常棒的，但除了定向光之外我们也需要一些分散在场景中的点光源(Point Light)。点光源是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。想象作为投光物的灯泡和火把，它们都是点光源。

在之前的教程中，我们一直都在使用一个（简化的）点光源。我们在给定位置有一个光源，它会从它的光源位置开始朝着所有方向散射光线。然而，我们定义的光源模拟的是永远不会衰减的光线，这看起来像是光源亮度非常的强。在大部分的3D模拟中，我们都希望模拟的光源仅照亮光源附近的区域而不是整个场景。

如果你将10个箱子加入到上一节光照场景中，你会注意到在最后面的箱子和在灯面前的箱子都以相同的强度被照亮，并没有定义一个公式来将光随距离衰减。我们希望在后排的箱子与前排的箱子相比仅仅是被轻微地照亮。

衰减

随着光线传播距离的增长逐渐削减光的强度通常叫做衰减(Attenuation)。随距离减少光强度的一种方式是使用一个线性方程。这样的方程能够随着距离的增长线性地减少光的强度，从而让远处的物体更暗。然而，这样的线性方程通常会看起来比较假。在现实世界中，灯在近处通常会非常亮，但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了。所以，我们需要一个不同的公式来减少光的强度。

幸运的是一些聪明的人已经帮我们解决了这个问题。下面这个公式根据片段距光源的距离计算了衰减值，之后我们会将它乘以光的强度向量：

在这里d代表了片段距光源的距离。接下来为了计算衰减值，我们定义3个（可配置的）项：常数项Kc、一次项Kl和二次项Kq。

• 常数项通常保持为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。

• 一次项会与距离值相乘，以线性的方式减少强度。

• 二次项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。

由于二次项的存在，光线会在大部分时候以线性的方式衰退，直到距离变得足够大，让二次项超过一次项，光的强度会以更快的速度下降。这样的结果就是，光在近距离时亮度很高，但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。下面这张图显示了在100的距离内衰减的效果：

可以看到光在近距离的时候有着最高的强度，但随着距离增长，它的强度明显减弱，并缓慢地在距离大约100的时候强度接近0。

常数项Kc在所有的情况下都是1.0。一次项Kl为了覆盖更远的距离通常都很小，二次项Kq甚至更小。

实现衰减

为了实现衰减，在片段着色器中我们还需要三个额外的值：也就是公式中的常数项、一次项和二次项。它们最好储存在之前定义的Light结构体中。注意我们使用上一节中计算lightDir的方法，而不是上面定向光部分的。【也就是将lightdir注释掉，重新改成light.position及其相关计算形式】;

struct Light {
    vec3 position;  

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;

    float constant;//常量项;
    float linear;//线性/一次项;
    float quadratic;//二次项;
};

然后我们将在OpenGL中设置这些项：我们希望光源能够覆盖50的距离，所以我们会使用表格中对应的常数项、一次项和二次项：

lightingShader.setFloat("light.constant",  1.0f);
lightingShader.setFloat("light.linear",    0.09f);
lightingShader.setFloat("light.quadratic", 0.032f);

在片段着色器中实现衰减还是比较直接的：我们根据公式计算衰减值，之后再分别乘以环境光、漫反射和镜面光分量。

我们仍需要公式中距光源的距离，还记得我们是怎么计算一个向量的长度的吗？我们可以通过获取片段和光源之间的向量差，并获取结果向量的长度作为距离项。我们可以使用GLSL内建的length函数来完成这一点：

float distance  = length(light.position - FragPos);
float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + 
light.quadratic * (distance * distance));

接下来，我们将包含这个衰减值到光照计算中，将它分别乘以环境光、漫反射和镜面光颜色。

我们可以将环境光分量保持不变，让环境光照不会随着距离减少，但是如果我们使用多于一个的光源，所有的环境光分量将会开始叠加，所以在这种情况下我们也希望衰减环境光照。简单实验一下，看看什么才能在你的环境中效果最好。

ambient  *= attenuation; 
diffuse  *= attenuation;
specular *= attenuation;

有些许衰减效果，但好像不是很明显?。。。

代码：

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec3 Normal;
in vec3 FragPos;
in vec2 TexCroods;

struct Material {
    sampler2D diffuse;
    sampler2D specular;
    float shininess;
};

//定义光照属性，用于调整光照;
struct Light{
    vec3 position;//定向光，不用光源的位置;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
    vec3 ambient;

    float constant;//常量项，永远为1.0f;
    float linear;//一次(线性)项;
    float quadratic;//二次项;
};

uniform vec3 viewPos;//人眼的位置;
uniform Material material;
uniform Light light;

void main()
{
    // 漫反射 
    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);//这里直接设置为无限远的光照方向;
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0f);
    vec3 diffuse = light.diffuse * diff * texture(material.diffuse,TexCroods).rgb;

     // 环境光
    vec3 ambient = light.ambient * texture(material.diffuse,TexCroods).rgb;

    // 镜面光
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);  
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0f), material.shininess);
    vec3 specular = light.specular * spec * texture(material.specular,TexCroods).rgb; //修改; 

    //加入衰减因子;
    //根据公式计算衰减值，再分别乘上三种光的分量;
    float distance    = length(light.position - FragPos);
    float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * (distance * distance));    

    ambient  *= attenuation;  
    diffuse  *= attenuation;
    specular *= attenuation;   


    vec3 result = ambient + diffuse + specular;//可以得到最终到我们眼睛的物体材质的颜色;
    FragColor = vec4(result, 1.0f);
}

聚光

我们要讨论的最后一种类型的光是聚光(Spotlight)。聚光是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。

OpenGL中聚光是用一个世界空间位置、一个方向和一个切光角(Cutoff Angle)来表示的，切光角指定了聚光的半径（译注：是圆锥的半径不是距光源距离那个半径）。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。下面这张图会让你明白聚光是如何工作的：

• LightDir：从片段指向光源的向量。

• SpotDir：聚光所指向的方向。

• 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。

所以我们要做的就是计算LightDir向量和SpotDir向量之间的点积（还记得它会返回两个单位向量夹角的余弦值吗？），并将它与切光角ϕ值对比。你现在应该了解聚光究竟是什么了，下面我们将以手电筒的形式创建一个聚光。

【也就是计算片段与光源之间的lightDir与聚光所指方向的夹角θ，再将其与ϕ进行对比，如果小则说明在聚光范围内】;

手电筒

手电筒(Flashlight)是一个位于观察者位置的聚光【在笔记中应该是视野的位置，即vec3(0.0f,0.0f,3.0f)】，通常它都会瞄准玩家视角的正前方。基本上说，手电筒就是普通的聚光，但它的位置和方向会随着玩家的位置和朝向不断更新。

所以，在片段着色器中我们需要的值有聚光的位置向量（来计算光的方向向量）、聚光的方向向量和一个切光角。我们可以将它们储存在Light结构体中：

struct Light {
    vec3  position;
    vec3  direction;
    float cutOff;
    ...
};

接下来我们将合适的值传到着色器中：

lightingShader.setVec3("light.position",  camera.Position);
lightingShader.setVec3("light.direction", camera.Front);
lightingShader.setFloat("light.cutOff",   glm::cos(glm::radians(12.5f)));

我们并没有给切光角设置一个角度值，反而是用角度值计算了一个余弦值，将余弦结果传递到片段着色器中。这样做的原因是在片段着色器中，我们会计算LightDir和SpotDir向量的点积，这个点积返回的将是一个余弦值而不是角度值，所以我们不能直接使用角度值和余弦值进行比较。为了获取角度值我们需要计算点积结果的反余弦，这是一个开销很大的计算。所以为了节约一点性能开销，我们将会计算切光角对应的余弦值，并将它的结果传入片段着色器中。由于这两个角度现在都由余弦角来表示了，我们可以直接对它们进行比较而不用进行任何开销高昂的计算。

接下来就是计算θθ值，并将它和切光角ϕϕ对比，来决定是否在聚光的内部：

float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));

if(theta > light.cutOff) 
{       
  // 执行光照计算
}
else// 否则，使用环境光，让场景在聚光之外时不至于完全黑暗
  Fragcolor = vec4(light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)), 1.0);

我们首先计算了lightDir和取反的direction向量（取反的是因为我们想让向量指向光源而不是从光源出发）之间的点积。记住要对所有的相关向量标准化。

【你可能奇怪为什么在if条件中使用的是 > 符号而不是 < 符号。theta不应该比光的切光角更小才是在聚光内部吗？这并没有错，但不要忘记角度值现在都由余弦值来表示的。一个0度的角度表示的是1.0的余弦值，而一个90度的角度表示的是0.0的余弦值，你可以在下图中看到：】

你现在可以看到，余弦值越接近1.0，它的角度就越小。这也就解释了为什么theta要比切光值更大了。切光值目前设置为12.5的余弦，约等于0.9978，所以在0.9979到1.0内的theta值才能保证片段在聚光内，从而被照亮。【简单来说，要用余弦值才可以进行比较，并且余弦值越小说明角度越大】;

运行程序，你将会看到一个聚光，它仅会照亮聚光圆锥内的片段。看起来像是这样的：

你可以在这里获得全部源码。

但这仍看起来有些假，主要是因为聚光有一圈硬边。当一个片段遇到聚光圆锥的边缘时，它会完全变暗，没有一点平滑的过渡。一个真实的聚光将会在边缘处逐渐减少亮度。

平滑/软化边缘

为了创建一种看起来边缘平滑的聚光，我们需要模拟聚光有一个内圆锥(Inner Cone)和一个外圆锥(Outer Cone)。我们可以将内圆锥设置为上一部分中的那个圆锥，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。

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方向向量和外圆锥向量（等于它的半径）的夹角。然后，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。

我们可以用下面这个公式来计算这个值：

这里ϵϵ(Epsilon)是内（ϕ）和外圆锥（γ）之间的余弦值差（ϵ=ϕ−γϵ=ϕ−γ）。最终的II值就是在当前片段聚光的强度。

很难去表现这个公式是怎么工作的，所以我们用一些实例值来看看：

θθ	θθ（角度）	ϕϕ（内光切）	ϕϕ（角度）	γγ（外光切）	γγ（角度）	ϵϵ	II
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

你可以看到，我们基本是在内外余弦值之间根据θ插值

我们现在有了一个在聚光外是负的，在内圆锥内大于1.0的，在边缘处于两者之间的强度值了。如果我们正确地约束(Clamp)这个值，在片段着色器中就不再需要if-else了，我们能够使用计算出来的强度值直接乘以光照分量：

float theta     = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
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;
...

注意我们使用了clamp函数，它把第一个参数约束(Clamp)在了0.0到1.0之间。这保证强度值不会在[0, 1]区间之外。

确定你将outerCutOff值添加到了Light结构体之中，并在程序中设置它的uniform值。下面的图片中，我们使用的内切光角是12.5，外切光角是17.5：

多光源

我们在前面的教程中已经学习了许多关于OpenGL中光照的知识，其中包括冯氏着色(Phong Shading)、材质(Material)、光照贴图(Lighting Map)以及不同种类的投光物(Light Caster)。在这一节中，我们将结合之前学过的所有知识，创建一个包含六个光源的场景。我们将模拟一个类似太阳的定向光(Directional Light)光源，四个分散在场景中的点光源(Point Light)，以及一个手电筒(Flashlight)。

为了在场景中使用多个光源，我们希望将光照计算封装到GLSL函数中。这样做的原因是，每一种光源都需要一种不同的计算方法，而一旦我们想对多个光源进行光照计算时，代码很快就会变得非常复杂。如果我们只在main函数中进行所有的这些计算，代码很快就会变得难以理解。

GLSL中的函数和C函数很相似，它有一个函数名、一个返回值类型，如果函数不是在main函数之前声明的，我们还必须在代码文件顶部声明一个原型。我们对每个光照类型都创建一个不同的函数：定向光、点光源和聚光。

当我们在场景中使用多个光源时，通常使用以下方法：我们需要有一个单独的颜色向量代表片段的输出颜色。对于每一个光源，它对片段的贡献颜色将会加到片段的输出颜色向量上。所以场景中的每个光源都会计算它们各自对片段的影响，并结合为一个最终的输出颜色。大体的结构会像是这样：

out vec4 FragColor;

void main(){
  // 定义一个输出颜色值
  vec3 output;
  // 将定向光的贡献加到输出中
  output += someFunctionToCalculateDirectionalLight();
  // 对所有的点光源也做相同的事情for(int i = 0; i < nr_of_point_lights; i++)
    output += someFunctionToCalculatePointLight();
  // 也加上其它的光源（比如聚光）
  output += someFunctionToCalculateSpotLight();

  FragColor = vec4(output, 1.0);
}

实际的代码对每一种实现都可能不同，但大体的结构都是差不多的。我们定义了几个函数，用来计算每个光源的影响，并将最终的结果颜色加到输出颜色向量上。例如，如果两个光源都很靠近一个片段，那么它们所结合的贡献将会形成一个比单个光源照亮时更加明亮的片段。

定向光

我们需要在片段着色器中定义一个函数来计算定向光对相应片段的贡献：它接受一些参数并计算一个定向光照颜色。

首先，我们需要定义一个定向光源最少所需要的变量。我们可以将这些变量储存在一个叫做DirLight的结构体中，并将它定义为一个uniform。

struct DirLight {
    vec3 direction;

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};  
uniform DirLight dirLight;

接下来我们可以将dirLight传入一个有着以下原型的函数。

vec3 CalcDirLight(DirLight light, vec3 normal, vec3 viewDir);

和C/C++一样，如果我们想调用一个函数（这里是在main函数中调用），这个函数需要在调用者的行数之前被定义过。在这个例子中我们更喜欢在main函数以下定义函数，所以上面要求就不满足了。所以，我们需要在main函数之上定义函数的原型，这和C语言中是一样的。

vec3 CalcDirLight(DirLight light, vec3 normal, vec3 viewDir){
    vec3 lightDir = normalize(-light.direction);
    // 漫反射着色float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    // 镜面光着色
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    // 合并结果
    vec3 ambient  = light.ambient  * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
    vec3 diffuse  = light.diffuse  * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
    vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));
    return (ambient + diffuse + specular);
}

我们基本上只是从上一节中复制了代码，并使用函数参数的两个向量来计算定向光的贡献向量。最终环境光、漫反射和镜面光的贡献将会合并为单个颜色向量返回。

点光源

和定向光一样，我们也希望定义一个用于计算点光源对相应片段贡献，以及衰减，的函数。同样，我们定义一个包含了点光源所需所有变量的结构体：

struct PointLight {
    vec3 position;

    float constant;
    float linear;
    float quadratic;

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};  
#define NR_POINT_LIGHTS 4
uniform PointLight pointLights[NR_POINT_LIGHTS];

你可以看到，我们在GLSL中使用了预处理指令来定义了我们场景中点光源的数量。接着我们使用了这个NR_POINT_LIGHTS常量来创建了一个PointLight结构体的数组。GLSL中的数组和C数组一样，可以使用一对方括号来创建。现在我们有四个待填充数据的PointLight结构体。

我们也可以定义一个大的结构体（而不是为每种类型的光源定义不同的结构体），包含所有不同种光照类型所需的变量，并将这个结构体用到所有的函数中，只需要忽略用不到的变量就行了。然而，我个人觉得当前的方法会更直观一点，不仅能够节省一些代码，而且由于不是所有光照类型都需要所有的变量，这样也能节省一些内存。

点光源函数的原型如下：

vec3 CalcPointLight(PointLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir);

这个函数从参数中获取所需的所有数据，并返回一个代表该点光源对片段的颜色贡献的vec3。我们再一次聪明地从之前的教程中复制粘贴代码，完成了下面这样的函数：

vec3 CalcPointLight(PointLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir){
    vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);
    // 漫反射着色float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    // 镜面光着色
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    // 衰减float distance    = length(light.position - fragPos);
    float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + 
                 light.quadratic * (distance * distance));    
    // 合并结果
    vec3 ambient  = light.ambient  * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
    vec3 diffuse  = light.diffuse  * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
    vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));
    ambient  *= attenuation;
    diffuse  *= attenuation;
    specular *= attenuation;
    return (ambient + diffuse + specular);
}

将这些功能抽象到这样一个函数中的优点是，我们能够不用重复的代码而很容易地计算多个点光源的光照了。在main函数中，我们只需要创建一个循环，遍历整个点光源数组，对每个点光源调用CalcPointLight就可以了。

聚光

聚光的相关代码可以参考上一节课的内容，下面是我自己的代码:

vec3 CalcSpotLight(SpotLight light,vec3 normal,vec3 fragPos,vec3 viewDir)
{
    vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);//光线方向;
    //漫反射着色;
    float diff = max(0.0,dot(lightDir,normal));
    //镜面光着色;
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir,normal);
    float spec = pow(max(0.0,dot(reflectDir,viewDir)),material.shininess);
    
    //衰减;
    float distance = length(light.position - fragPos);
    float atten = 1.0 / (light.constant+distance * light.linear+light.quadratic*(distance*distance));
    //柔和;
    float theta = dot(lightDir,normalize(-light.direction));
    float epison = light.cutOff - light.outerCutOff;
    float intensity = clamp((theta - light.outerCutOff) / epison,0.0,1.0);//利用clamp将柔和限制在0到1之间;
    //进行整合;
    vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse,TexCoords));
    vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse,TexCoords));
    vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular,TexCoords));
    
    //柔和衰减的添加;
    diffuse *= intensity * atten;
    specular *= intensity * atten;
    ambient *= intensity * atten;
    return (ambient+diffuse+specular);
}

合并结果

现在我们已经定义了一个计算定向光的函数和一个计算点光源的函数了，我们可以将它们合并放到main函数中。

voidmain(){
    // 属性
    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);

    // 第一阶段：定向光照
    vec3 result = CalcDirLight(dirLight, norm, viewDir);
    // 第二阶段：点光源for(int i = 0; i < NR_POINT_LIGHTS; i++)
        result += CalcPointLight(pointLights[i], norm, FragPos, viewDir);    
    // 第三阶段：聚光//result += CalcSpotLight(spotLight, norm, FragPos, viewDir);    

    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

每个光源类型都将它们的贡献加到了最终的输出颜色上，直到所有的光源都处理完了。最终的颜色包含了场景中所有光源的颜色影响所合并的结果。

我们可以设置一个结构体数组的uniform和设置一个结构体的uniform是很相似的，但是这一次在访问uniform位置的时候，我们需要定义对应的数组下标值：

lightingShader.setFloat("pointLights[0].constant", 1.0f);
//也就是对数组中的每一个元素相关变量进行单独设定，注意代码有点多，要留意;

在这里我们索引了pointLights数组中的第一个PointLight，并获取了constant变量的位置。但这也意味着不幸的是我们必须对这四个点光源手动设置uniform值，这让点光源本身就产生了28个uniform调用，非常冗长。你也可以尝试将这些抽象出去一点，定义一个点光源类，让它来为你设置uniform值，但最后你仍然要用这种方式设置所有光源的uniform值。

别忘了，我们还需要为每个点光源定义一个位置向量，所以我们让它们在场景中分散一点。我们会定义另一个glm::vec3数组来包含点光源的位置：

glm::vec3 pointLightPositions[] = {
    glm::vec3( 0.7f,  0.2f,  2.0f),
    glm::vec3( 2.3f, -3.3f, -4.0f),
    glm::vec3(-4.0f,  2.0f, -12.0f),
    glm::vec3( 0.0f,  0.0f, -3.0f)
};

接下来我们从pointLights数组中索引对应的PointLight，将它的position值设置为刚刚定义的位置值数组中的其中一个。同时我们还要保证现在绘制的是四个灯立方体而不是仅仅一个。只要对每个灯物体创建一个不同的模型矩阵就可以了，和我们之前对箱子的处理类似。

如果你还使用了手电筒的话，所有光源组合的效果将看起来和下图差不多：

上面图片中的所有光源都是使用上一节中所使用的默认属性，但如果你愿意实验这些数值的话，你能够得到很多有意思的结果。艺术家和关卡设计师通常都在编辑器中不断的调整这些光照参数，保证光照与环境相匹配。在我们刚刚创建的简单光照环境中，你可以简单地调整一下光源的属性，创建很多有意思的视觉效果：

到此光照章节就结束了！！！；