学习OpenGL ES之基本光照

2017-05-06 09:15:00来源:http://www.jianshu.com/p/9f41a7272c22作者:handyTOOL人点击


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本文所用的代码在https://github.com/SquarePants1991/OpenGLESLearn.gitchapter9分支中。


本文主要介绍如何使用Shader实现平行光的效果。什么是平行光呢?我们可以拿激光做比喻,平行光的方向不会随着离光源的距离而改变。所以我们在模拟平行光的时候仅仅需要使用一个光照方向即可。
我们有了光照方向,接下来还需要一个重要数据,平面的朝向。一个平面如果刚好面朝光线,那自然是最亮的。当然还有些材质的平面可以反射光线,反射光线的强度和你观察的角度相关,不过这些本文都不会介绍。后面会有专门一篇介绍复杂的光照模型。
我们用法线向量来表示平面朝向,在具体实现中,每个点都会有一个法线向量。所谓法线向量就是垂直于平面的一个三维向量,如下图所示。




图中展示了两种法线向量的表示方法,左边是每个多边形的每个点有一个法线向量,右边是每个点有一个法线向量,共享点的法线向量是这个点在所有平面上的法线向量之和。法线向量应该总是被规范化成单位向量。本文的例子中使用的是左边的方式。


如果你对向量相关的知识不是很了解,可以参考百度百科


有了法线向量和光照方向之后,只要将它们相乘即可得到光照强度。接下来开始分析代码。


两个单位向量相乘,结果是cos(向量夹角),夹角越大,cos(向量夹角)越小,刚好符合前面说的规律。


首先我们来看Vertex Shader。


attribute vec4 position;
attribute vec3 normal;
uniform float elapsedTime;
uniform mat4 projectionMatrix;
uniform mat4 cameraMatrix;
uniform mat4 modelMatrix;
varying vec3 fragNormal;
void main(void) {
mat4 mvp = projectionMatrix * cameraMatrix * modelMatrix;
fragNormal = normal;
gl_Position = mvp * position;
}

我将attribute vec4 color;换成了attribute vec3 normal;,不再传递颜色数据,改为法线向量。然后将法线向量传递给Fragment ShaderfragNormal = normal;


接下来是Fragment Shader。


precision highp float;
varying vec3 fragNormal;
uniform float elapsedTime;
uniform vec3 lightDirection;
uniform mat4 normalMatrix;
void main(void) {
vec3 normalizedLightDirection = normalize(-lightDirection);
vec3 transformedNormal = normalize((normalMatrix * vec4(fragNormal, 1.0)).xyz);
float diffuseStrength = dot(normalizedLightDirection, transformedNormal);
diffuseStrength = clamp(diffuseStrength, 0.0, 1.0);
vec3 diffuse = vec3(diffuseStrength);
vec3 ambient = vec3(0.3);
vec4 finalLightStrength = vec4(ambient + diffuse, 1.0);
vec4 materialColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
gl_FragColor = finalLightStrength * materialColor;
}

我增加了光线方向uniform vec3 lightDirection;,法线变换矩阵uniform mat4 normalMatrix;


法线不能直接使用modelMatrix进行变换,需要使用modelMatrix的逆转置矩阵,参考维基百科


因为光线是照射到平面的方向,而法线是从平面往外的方向,所以他们相乘之前需要把光照方向反过来,并且要规范化。


vec3 normalizedLightDirection = normalize(-lightDirection);

接着我们将法线变换后再规范化,我们就得到了关键的两个向量。下面是示意图。




将它们相乘最后得到diffuse,可以称它为漫反射强度。漫反射就是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。我们求解diffuse就是模拟的漫反射现象。
代码最后还有一个vec3 ambient = vec3(0.3);是什么呢?根据漫反射的公式,总会有强度为0的地方,为了使场景不那么暗,就增加了一个基本光照强度,也可称为环境光强度。
环境光强度加上漫反射强度就是最后的光照强度finalLightStrength了。光照强度乘以材质本身的颜色materialColor得到最终的颜色,这里材质本身的颜色我用的是红色。


看完Shader,我们回到OC代码。首先,我将绑定Shader属性color的代码改为了绑定normal。


- (void)bindAttribs:(GLfloat *)triangleData {
// 启用Shader中的两个属性
// attribute vec4 position;
// attribute vec4 color;
GLuint positionAttribLocation = glGetAttribLocation(self.shaderProgram, "position");
glEnableVertexAttribArray(positionAttribLocation);
GLuint colorAttribLocation = glGetAttribLocation(self.shaderProgram, "normal");
glEnableVertexAttribArray(colorAttribLocation);
// 为shader中的position和color赋值
// glVertexAttribPointer (GLuint indx, GLint size, GLenum type, GLboolean normalized, GLsizei stride, const GLvoid* ptr)
// indx: 上面Get到的Location
// size: 有几个类型为type的数据,比如位置有x,y,z三个GLfloat元素,值就为3
// type: 一般就是数组里元素数据的类型
// normalized: 暂时用不上
// stride: 每一个点包含几个byte,本例中就是6个GLfloat,x,y,z,r,g,b
// ptr: 数据开始的指针,位置就是从头开始,颜色则跳过3个GLFloat的大小
glVertexAttribPointer(positionAttribLocation, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(GLfloat), (char *)triangleData);
glVertexAttribPointer(colorAttribLocation, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(GLfloat), (char *)triangleData + 3 * sizeof(GLfloat));
}

接着准备法线向量的数据。


- (void)drawXPlanes {
static GLfloat triangleData[] = {
// X轴0.5处的平面
0.5, -0.5, 0.5f, 1, 0, 0,
0.5, -0.5f, -0.5f, 1, 0, 0,
0.5, 0.5f, -0.5f, 1, 0, 0,
0.5, 0.5, -0.5f, 1, 0, 0,
0.5, 0.5f, 0.5f, 1, 0, 0,
0.5, -0.5f, 0.5f, 1, 0, 0,
// X轴-0.5处的平面
-0.5, -0.5, 0.5f, -1, 0, 0,
-0.5, -0.5f, -0.5f, -1, 0, 0,
-0.5, 0.5f, -0.5f, -1, 0, 0,
-0.5, 0.5, -0.5f, -1, 0, 0,
-0.5, 0.5f, 0.5f, -1, 0, 0,
-0.5, -0.5f, 0.5f, -1, 0, 0,
};
[self bindAttribs:triangleData];
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 12);
}

以X轴上的两个平面为例,X轴0.5处的平面法线方向是X轴正向,X轴-0.5处的平面法线方向是X轴反向。这样我们才能让朝外的面接收到光线。法线是三维向量,所以刚好填满了之前颜色的数据区间。


下一步准备一个三维向量存放光照的方向。


@property (assign, nonatomic) GLKVector3 lightDirection; // 平行光光照方向

并给它赋值。让它向下照射,所以向量为-Y轴(0,-1,0)。


// 设置平行光方向
self.lightDirection = GLKVector3Make(0, -1, 0);

最后给uniform光照方向和法线变换矩阵赋值。


bool canInvert;
GLKMatrix4 normalMatrix = GLKMatrix4InvertAndTranspose(self.modelMatrix, &canInvert);
if (canInvert) {
GLuint modelMatrixUniformLocation = glGetUniformLocation(self.shaderProgram, "normalMatrix");
glUniformMatrix4fv(modelMatrixUniformLocation, 1, 0, normalMatrix.m);
}

GLuint lightDirectionUniformLocation = glGetUniformLocation(self.shaderProgram, "lightDirection");
glUniform3fv(lightDirectionUniformLocation, 1,self.lightDirection.v);

这里我们使用了GLKit的GLKMatrix4InvertAndTranspose计算modelMatrix的逆转置矩阵,然后传递给Shader。传递光照方向时使用glUniform3fv来传递三维数组。


到此,基本的平行光光照模型就完成了。下面是效果图。




下一篇是基础篇的最后一篇,介绍纹理的加载和使用。后续会在进阶篇中介绍高级光照,3D模型加载,粒子系统等更深入的知识。




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