GLSL逐像素光照 【转】
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()
{
normal =
normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);
lightDir =
normalize(vec3(gl_LightSource[0].position));
halfVector =
normalize(gl_LightSource[0].halfVector.xyz);
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;
vec4 color =
ambient;
n =
normalize(normal);
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);
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);
diffuse =
gl_FrontMaterial.diffuse * gl_LightSource[0].diffuse;
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;
n =
normalize(normal);
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);
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)
{
}
}
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
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