該原創文章首發於微信公衆號：字節流動
OpenGLES 基礎光照模型
OpenGLES 目前還無法模擬現實世界的複雜光照效果，爲了在效果要求和實現難度之間做一個平衡，往往採用一些簡化的模型來模擬光照效果。馮氏光照模型(Phong Lighting Model)便是其中常用的一個光照模型，它由三種元素光組成，分別是環境光(Ambient Lighting)、散射光(Diffuse Lighting)及鏡面光(Specular Lighting)。
環境光
環境光表示從四面八方照射到物體上且各個方向都均勻的光，不依賴於光源位置，沒有方向性。
要把環境光照添加到場景裏，只需用光的顏色乘以一個(數值)很小常量環境因子，再乘以物體的顏色，然後使用它作爲片段的顏色：
void main()
{
float ambientStrength = 0.1f; //常量環境因子
vec3 ambient = ambientStrength * lightColor; //環境光強度
vec3 result = ambient * objectColor;
color = vec4(result, 1.0f);
}
散射光
散射光表示從物體表面向各個方向均勻反射的光。散射光的強度與入射光的強度及入射角密切相關，所以當光源位置發生變化，散射光效果也會發生明顯變化。
散射光最終強度 = 材質反射係數 × 散射光強度 × max(cos(入射角)，0)
其中入射角表示：當前片段光源照射方向與法向量之間的夾角。
實現散射光的片段着色器腳本：
out vec3 fragPos;//當前片段座標
out vec3 normal; //當前片段法向量
uniform vec3 lightPos;//光源位置
void main()
{
float diffuseStrength = 0.5f; //材質反射係數
vec3 norm = normalize(normal); // 歸一化
vec3 lightDir = normalize(lightPos - fragPos);//當前片段光源照射方向向量
float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);// dot 表示兩個向量的點乘
vec3 diffuse = diffuseStrength * diff * lightColor; //散射光最終強度
vec3 result = diffuse * objectColor;
color = vec4(result, 1.0f);
}
鏡面光
鏡面光是由光滑物體表面反射的方向比較集中的光，鏡面光強度不僅依賴於入射光與法向量的夾角，也依賴於觀察者的位置。
鏡面光最終強度 = 材質鏡面亮度因子 × 鏡面光強度 × max(cos(反射光向量與視線方向向量夾角)，0)
修正後的模型也可表示爲：
鏡面光最終強度 = 材質鏡面亮度因子 × 鏡面光強度 × max(cos(半向量與法向量夾角)，0)
其中半向量爲鏡面反射光向量與視線方向向量（從片段到觀察者）的半向量。
實現鏡面光的片段着色器腳本：
out vec3 fragPos;//當前片段座標
out vec3 normal; //當前片段法向量
uniform vec3 lightPos;//光源位置
void main()
{
float specularStrength = 0.5f;
vec3 norm = normalize(normal); // 歸一化
vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos); //視線方向向量
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm); //鏡面反射光向量
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);
//視線方向向量與鏡面反射光向量點乘的32次冪，這個32是高光的發光值(Shininess)。一個物體的發光值越高，反射光的能力越強，散射得越少，高光點越小。
vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor; //鏡面光最終強度
vec3 result = specular * objectColor;
color = vec4(result, 1.0f);
}
基礎光照模型實現
實現基礎光照模型的頂點着色器：
#version 300 es
precision mediump float;
layout(location = 0) in vec4 a_position;
layout(location = 1) in vec2 a_texCoord;
layout(location = 2) in vec3 a_normal;
uniform mat4 u_MVPMatrix;
uniform mat4 u_ModelMatrix;
uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 viewPos;
out vec2 v_texCoord;
out vec3 ambient;
out vec3 diffuse;
out vec3 specular;
void main()
{
gl_Position = u_MVPMatrix * a_position;
vec3 fragPos = vec3(u_ModelMatrix * a_position);
// Ambient
float ambientStrength = 0.1;
ambient = ambientStrength * lightColor;
// Diffuse
float diffuseStrength = 0.5;
vec3 unitNormal = normalize(vec3(u_ModelMatrix * vec4(a_normal, 1.0)));
vec3 lightDir = normalize(lightPos - fragPos);
float diff = max(dot(unitNormal, lightDir), 0.0);
diffuse = diffuseStrength * diff * lightColor;
// Specular
float specularStrength = 0.9;
vec3 viewDir = normalize(viewPos - fragPos);
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, unitNormal);
float spec = pow(max(dot(unitNormal, reflectDir), 0.0), 16.0);
specular = specularStrength * spec * lightColor;
v_texCoord = a_texCoord;
}
對應的片段着色器：
#version 300 es
precision mediump float;
in vec2 v_texCoord;
in vec3 ambient;
in vec3 diffuse;
in vec3 specular;
layout(location = 0) out vec4 outColor;
uniform sampler2D s_TextureMap;
void main()
{
vec4 objectColor = texture(s_TextureMap, v_texCoord);
vec3 finalColor = (ambient + diffuse + specular) * vec3(objectColor);
outColor = vec4(finalColor, 1.0);
}
效果圖：
實現代碼路徑：
https://github.com/githubhaohao/NDK_OpenGLES_3_0
聯繫與交流
我的公衆號
我的微信
