OpenGL光照学习以及OpenGL4环境

2017-01-12 13:35:41来源:http://www.jianshu.com/p/46e3feb10727作者:落影loyinglin人点击

前言

最近稍有空闲,整理下之前学习光照的笔记,以及在配置OpenGL4环境过程中遇到的问题。


光照
1、模拟灯光

模拟灯光:通过GPU来计算场景中的几何图形投射和散发出来的光线。
本质是GPU对每个三角形的顶点单独计算灯光,然后把结果再顶点之间的片元中进行插值。
故而当要求一个更真实、更光滑的灯光时,需要增加大量的三角形,从而加大计算量。
在上述这种情况,可以把灯光效果预处理并烘焙到纹理中。(就是形成一个纹理)


2、光照计算

光源=环境光 + 漫反射光 + 镜面反射光。
在计算光照的过程中,需要注意三角形的材质、三角形的法线、光源的光线;
法向量也是单位向量。
标准化:把向量的长度化为1.0。


3、GLK和光照

与光照相关的GLKBaseEffect属性:


@property (nonatomic, assign) GLKVector4   position;                                                       // { 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 }
@property (nonatomic, assign) GLKVector4 ambientColor; // { 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 }
@property (nonatomic, assign) GLKVector4 diffuseColor; // { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }
@property (nonatomic, assign) GLKVector4 specularColor; // { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }

在开启灯光后,GLKBaseEffect的常量颜色以及顶点的颜色都会被忽略。
即使设置成灯光关闭,enabled = GL_FALSE ,constantColor仍会被忽略。


求三角形ABC法向量:给出三角形ABC三个顶点的坐标后,通过GLKVector3Subtract可以算出两个向量AB, AC;
通过GLKVector3CrossProduct 求出AB和AC的叉积,并单元化GLKVector3Normalize


4、光照模型

我们在现实生活中看到某一物体的颜色并不是这个物体的真实颜色,而是它所反射(Reflected)的颜色。换句话说,那些不能被物体吸收(Absorb)的颜色(被反射的颜色)就是我们能够感知到的物体的颜色。
这里可以通过vec*vec的方式来计算;



注意三种乘法


vec * vec 分量乘 (x1 * x2, y1 * y2, z1 * z2) 向量
vec · vec 点乘 x1*x2 + y1*y2 + z1*z2,标量
vec X vec 叉乘 (y1 * z2 - z1 * y2 , z1 * x2 - x1 * z2 , x1 * y2 - y1 * x2) 向量


冯氏光照模型(Phong Lighting Model),由3个元素组成:环境光(Ambient)、漫反射光(Diffuse)和镜面光(Specular) ;


高洛德着色(Gouraud Shading)与冯氏着色(Phong Shading)
在图形渲染中有两种着色方式,高洛德着色与冯氏着色。高洛德着色也被称为Per-Vertex着色,它是在顶点着色阶段对顶点进行颜色计算,然后在光栅化阶段对这些顶点颜色进行线性插值形成片元的颜色;冯氏着色也被称为Per-Pixel像素着色,它是在片元着色阶段对每一个片元(像素)进行颜色计算。


逆矩阵(Inverse Matrix)和转置矩阵(Transpose Matrix)
无论何时当我们提交一个不等比缩放(注意:等比缩放不会破坏法线,因为法线的方向没被改变,而法线的长度很容易通过标准化进行修复),法向量就不会再垂直于它们的表面了,这样光照会被扭曲。
修复这个行为的诀窍是使用另一个为法向量专门定制的模型矩阵。这个矩阵称之为正规矩阵(Normal Matrix),它是进行了一点线性代数操作移除了对法向量的错误缩放效果。如果你想知道这个矩阵是如何计算出来的。
正规矩阵被定义为“模型矩阵左上角的逆矩阵的转置矩阵”。


这一段来源是learnopengl


对于着色器来说,逆矩阵也是一种开销比较大的操作,因此,无论何时,在着色器中只要可能就应该尽量避免逆操作,因为它们必须为你场景中的每个顶点进行这样的处理。以学习的目的这样做很好,但是对于一个对于效率有要求的应用来说,在绘制之前,你最好用CPU计算出正规矩阵,然后通过uniform把值传递给着色器(和模型矩阵一样)。



备注:GLK相关的函数如下


GLKMatrix4 GLKMatrix4InvertAndTranspose(GLKMatrix4 matrix, bool * __nullable isInvertible);


光照总结

光照计算的终极公式
光照颜色 = 发射颜色 + 全局环境颜色 + (环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜面反射颜色) × 聚光灯效果 × 衰减因子


终极公式来源


OpenGL4环境搭建

learnopengl-cn上有很多不错的demo,但是在mac运行过程中遇到了各种坑,总结如下。


1、GLFW

如果没有 GLFW,Xcode 创建的项目只能运行 OpenGL 2.1 的版本,而无法使用系统支持的 4.x 版本。
解决方案
环境配置


2、CMake

CMake安装
sudo "/Applications/CMake.app/Contents/bin/cmake-gui" --install=/usr/local/bin

El Capitan 引入Rootless机制,即使加sudo(也就是具有root权限)也无法修改系统级的目录,其中就包括了/usr/bin。
解决方案:



1、更改Rootless机制


csrutil disable


csrutil enable


2、将链接到/usr/bin,改成链接到/usr/local/bin。



3、SOIL

SOIL即Simple OpenGL Image Library,是一个跨平台的支持多个格式图片加载的库,主要作用是加载图片成为OpenGL的texture。
引入过程中一样带有很多坑,解决方案如下:
解决方案



修改图片中的标志,m64改为x86_64
4、glm

glm库是一个C++头文件形式的几何数学库,用于GLSL规范下的图形绘制。
靠谱的解决方案


注意,glm只有头文件。


5、OSX

如果你使用的是Mac OSX系统你还需要加下面这行代码这些配置才能起作用:


glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);


最后成果
总结

已经配置完成的demo在github,里面OpenGL开头的工程。
最近项目新上了一个手绘礼物的功能,本来打算用OpenGL ES来绘制,后面发现有点大材小用。
下次再单独开一篇介绍下这个有趣的功能。




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