[WebGL入门]二十五，点光源的光照

注：文章译自http://wgld.org/，原作者杉本雅広(doxas)，文章中假设有我的额外说明。我会加上［lufy：］。另外，鄙人webgl研究还不够深入，一些专业词语。假设翻译有误，欢迎大家指正。

本次的demo的执行结果

点光源

上次介绍了高氏着色和补色着色。

使用补色着色的手法。能够渲染更加自然的阴影。3D效果更加真实。可是会有计算量比較大的缺点。

这个仅仅能case by case，依据不同的情况来处理了。是个挺烦人的地方。

那么，这次，还是讲光源。我貌似听到了“不会吧......”此类的声音了......
这次的话题是点光源的封装。点光源就像它的名字一样，和顶点一样。光源就是一个点。
到眼下为止。全部的光源处理都是使用了平行光源，平行光源能够看作是从无限远的地方发出的方向固定的光的光源。三维空间中的全部的模型都受到相同方向的光的照耀。而点光源的处理。光源的位置在三维空间中是固定的，三维空间中的模型依据它所在的位置，受到不同方向的光照。
现实世界中相似电光源的有灯泡等。

可是，实际上灯泡的光是会变弱的。距离越远光的强度就越弱。

而这次封装的电光源的处理并没有考虑光的减弱。不管对象距离光源有多元，都受到相同的强度的光的影响，所以。并非全然模拟现实世界中的电光源。

电光源的考虑方法

电光源的封装事实上也并不难。
平行光源的时候是光向量，就是说光的方向是固定的。点光源的时候，光源的位置是确定的，须要算出从光源到顶点的向量作为光向量，用这个光向量来计算阴影。
由于必须计算出光源到顶点的向量，所以比平行光源的计算量要大，可是攻克了光向量的计算之后。就能够沿用之前平行光源的计算。所以也不会太难。

顶点着色器的改动

这次和上次一样。使用补色着色来进行着色，尽管大部分改动都是在片段着色器中进行的，可是顶点着色器中也有少许改动。
点光源的处理，就想刚才说的那样。须要计算光源到顶点的向量，而要计算光向量的话，那就必定须要顶点的位置情报了。
要将顶点着色器中的位置情报传给片段着色器。那肯定须要新的varying变量了。可是仅仅传顶点的位置情报的话，另一些问题。
顶点的位置情报通常以局部坐标的形式传给顶点着色器，所以假设用模型坐标变换对模型进行了移动或者旋转，顶点的位置就会发生变化了。就是说。即使局域坐标是(1.0, 1.0, 1.0)的顶点经过移动。旋转等变换，坐标可能会变成(例 0.5, 2.0, 5.5 )等等。
从点光源发出的光的光向量。必须要考虑模型坐标变换后的顶点的位置。所以，必须向顶点着色器中传入新的模型坐标变换矩阵。那么来改动一下顶点着色器的代码吧。
>顶点着色器代码

attribute vec3 position;
attribute vec3 normal;
attribute vec4 color;
uniform   mat4 mvpMatrix;
uniform   mat4 mMatrix;
varying   vec3 vPosition;
varying   vec3 vNormal;
varying   vec4 vColor;

void main(void){
    vPosition   = (mMatrix * vec4(position, 1.0)).xyz;
    vNormal     = normal;
    vColor      = color;
    gl_Position = mvpMatrix * vec4(position, 1.0);
}

跟上次比較，变更点有两个。

第一个变更点是为了向片段着色器传入顶点的位置情报。追加了varying变量vPosition。由于表示的顶点的位置情报。所以定义了vec3类型。
第二个变更点是追加了新的uniform变量mMatrix。像刚才写的那样，由于顶点着色器中的顶点的位置坐标是局域坐标系，所以为了将模型坐标变换矩阵变换成适当的形式（就是世界坐标系）。使用uniform修饰符定义的变量。以便在着色器一側接受到模型坐标变换矩阵。

向片段着色器中传递顶点的位置情报的时候，表示模型坐标变换矩阵的mMatrix和表示顶点的局部坐标的position相乘，结果带入到vPosition中。这种话。片段着色器就能使用模型坐标变换后的顶点位置了。

片段着色器的改动

接着是片段着色器一側的改动，片段着色器中须要使用顶点的位置和点光源的位置算出光向量。

这时的光向量的计算方法是非常easy的。仅仅须要单纯的减法就能够了。
另外，这次是依据电光源做处理的，所以用表示电光源的位置的uniform变量lightPosition来取代表示光向量的uniform变量lightDirection。
>片段着色器代码

precision mediump float;

uniform mat4 invMatrix;
uniform vec3 lightPosition;
uniform vec3 eyeDirection;
uniform vec4 ambientColor;
varying vec3 vPosition;
varying vec3 vNormal;
varying vec4 vColor;

void main(void){
    vec3  lightVec  = lightPosition - vPosition;
    vec3  invLight  = normalize(invMatrix * vec4(lightVec, 0.0)).xyz;
    vec3  invEye    = normalize(invMatrix * vec4(eyeDirection, 0.0)).xyz;
    vec3  halfLE    = normalize(invLight + invEye);
    float diffuse   = clamp(dot(vNormal, invLight), 0.0, 1.0) + 0.2;
    float specular  = pow(clamp(dot(vNormal, halfLE), 0.0, 1.0), 50.0);
    vec4  destColor = vColor * vec4(vec3(diffuse), 1.0) + vec4(vec3(specular), 1.0) + ambientColor;
    gl_FragColor    = destColor;
}

着色器中的main函数的第一行。将从点光源到顶点的光向量代入到变量lightVec中。

像上面说的一样。使用了单纯的减法。非常easy吧。并且，使用这里得到的光向量，和之前平行光源一样求逆矩阵以及半向量。计算扩散光和反射光。
理解了结构，也就应该明确。事实上和之前的demo也没有多大的变化。

主要是光向量的处理不同，光照的方法基本上大致相同。

javascript 的修正

着色器改动完之后。以下就是主程序的javascript的改动了。

这次细节部分改动的比較多，一点点的開始讲解。

眼下为止的demo都仅仅渲染了一个圆环体，这次在圆环体之外加一个球体，看文章一開始的图片就知道了。圆环体的顶点数据以及球体的顶点数据要另外准备。

球体模型的顶点数据的生成，使用以下的函数。和生成圆环体的顶点数据的函数是比較相似的。
>生成球体的顶点数据的函数

// 球体を生成する関数
function sphere(row, column, rad, color){
    var pos = new Array(), nor = new Array(),
        col = new Array(), idx = new Array();
    for(var i = 0; i <= row; i++){
        var r = Math.PI / row * i;
        var ry = Math.cos(r);
        var rr = Math.sin(r);
        for(var ii = 0; ii <= column; ii++){
            var tr = Math.PI * 2 / column * ii;
            var tx = rr * rad * Math.cos(tr);
            var ty = ry * rad;
            var tz = rr * rad * Math.sin(tr);
            var rx = rr * Math.cos(tr);
            var rz = rr * Math.sin(tr);
            if(color){
                var tc = color;
            }else{
                tc = hsva(360 / row * i, 1, 1, 1);
            }
            pos.push(tx, ty, tz);
            nor.push(rx, ry, rz);
            col.push(tc[0], tc[1], tc[2], tc[3]);
        }
    }
    r = 0;
    for(i = 0; i < row; i++){
        for(ii = 0; ii < column; ii++){
            r = (column + 1) * i + ii;
            idx.push(r, r + 1, r + column + 2);
            idx.push(r, r + column + 2, r + column + 1);
        }
    }
    return {p : pos, n : nor, c : col, i : idx};
}

形成球体的顶点，定义了一个用一个大的多边形群组成的膜裹成球的形状方法。这个sphere函数接受四个參数。第一个參数是形成球体的膜状的多边形板的纵向切割数（顶点数）。用地球比喻的话就是纬度的方向。

第二个參数则是横向切割数，这里用地球来说的话，就是经度的方向。

第三个參数是球体的半径。第四个參数是球体的颜色。这个颜色是包括四个元素的数组，假设没有指定颜色。则会自己主动分配HSV颜色。

这个函数的用法，传入适当的參数，然后接收返回值。

返回值是一个对象。使用的时候就參照这个对象的适当的属性。实际的代码例如以下。

>函数sphere的使用部分

// 用球体的顶点数据生成VBO并保存
var sphereData = sphere(64, 64, 2.0, [0.25, 0.25, 0.75, 1.0]);
var sPosition = create_vbo(sphereData.p);
var sNormal   = create_vbo(sphereData.n);
var sColor    = create_vbo(sphereData.c);
var sVBOList  = [sPosition, sNormal, sColor];

// 球体用IBO的生成
var sIndex = create_ibo(sphereData.i);

上面的代码，生成一个纵向和横向都是64个顶点的球体，半径是2.0，这次指定的颜色是蓝色。须要注意的是，为了后面的处理，将VBO保存到了数组中，这样做了之后。attributeLocation和VBO联系的工作就变的非常的方便了，这个后面会叙述。
接着是uniformLocation的获取部分，这次是从平行光源变到电光源，指定光的方向的部分要换成指定光的位置。

>uniform的相关处理

// uniformLocationを配列に取得
var uniLocation = new Array();
uniLocation[0] = gl.getUniformLocation(prg, 'mvpMatrix');
uniLocation[1] = gl.getUniformLocation(prg, 'mMatrix');
uniLocation[2] = gl.getUniformLocation(prg, 'invMatrix');
uniLocation[3] = gl.getUniformLocation(prg, 'lightPosition');
uniLocation[4] = gl.getUniformLocation(prg, 'eyeDirection');
uniLocation[5] = gl.getUniformLocation(prg, 'ambientColor');

// 中略

// 点光源的位置
var lightPosition = [0.0, 0.0, 0.0];

着色器中进行的uniform修饰符变量的变更在这里都具体的反映出了，并且，demo的电光源的位置设定成了原点。
为了更easy明确点光源的效果，demo中的以点光源的位置为中心，圆环体和球体不断的进行旋转，里面包括了模型坐标变换矩阵的生成。

由于同一时候绘制两个模型，在持续循环的过程中，使用适当的VBO和IBO进行模型的渲染。

代码略微长了点。细致看的话就明确了。主要是刚才写的那样，使用保存有VBO的数组，在自制的函数中对VBO进行绑定处理。

>持续循环的绘制处理

// カウンタをインクリメントする
count++;

// カウンタを元にラジアンと各種座標を算出
var rad = (count % 360) * Math.PI / 180;
var tx = Math.cos(rad) * 3.5;
var ty = Math.sin(rad) * 3.5;
var tz = Math.sin(rad) * 3.5;

// トーラスのVBOとIBOをセット
set_attribute(tVBOList, attLocation, attStride);
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, tIndex);

// モデル座標変換行列の生成
m.identity(mMatrix);
m.translate(mMatrix, [tx, -ty, -tz], mMatrix);
m.rotate(mMatrix, -rad, [0, 1, 1], mMatrix);
m.multiply(tmpMatrix, mMatrix, mvpMatrix);
m.inverse(mMatrix, invMatrix);

// uniform変数の登録と描画
gl.uniformMatrix4fv(uniLocation[0], false, mvpMatrix);
gl.uniformMatrix4fv(uniLocation[1], false, mMatrix);
gl.uniformMatrix4fv(uniLocation[2], false, invMatrix);
gl.uniform3fv(uniLocation[3], lightPosition);
gl.uniform3fv(uniLocation[4], eyeDirection);
gl.uniform4fv(uniLocation[5], ambientColor);
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, torusData.i.length, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);

// 球体のVBOとIBOをセット
set_attribute(sVBOList, attLocation, attStride);
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sIndex);

// モデル座標変換行列の生成
m.identity(mMatrix);
m.translate(mMatrix, [-tx, ty, tz], mMatrix);
m.multiply(tmpMatrix, mMatrix, mvpMatrix);
m.inverse(mMatrix, invMatrix);

// uniform変数の登録と描画
gl.uniformMatrix4fv(uniLocation[0], false, mvpMatrix);
gl.uniformMatrix4fv(uniLocation[1], false, mMatrix);
gl.uniformMatrix4fv(uniLocation[2], false, invMatrix);
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, sphereData.i.length, gl.UNSIGNED_SHORT, 0);

// コンテキストの再描画
gl.flush();

各种坐标变换矩阵的生成，以及逆矩阵的生成结束后，将点光源的位置和视点向量等一起传入着色器，以及VBO和IBO的绑定处理之后，发出画图命令。

为了绘制两个模型而进行了一连串的处理，可是要注意不要反复。也没进行特别难的处理。

总结

用点光源的光照，概念基本上和平行光源一样。依据获取光向量和顶点的法线及视点向量的内积来加入阴影。和平行光源的不同之处，简单的说就是光向量是否是一个固定值。点光源使用的是模型坐标变换后的顶点的位置和光源的位置，这时再计算光向量，所以添加了若干的计算量。

平行光源的光的方向是一定的。总体都受到均等的光照。可是点光源依据实际顶点的坐标要进行具体的光的碰撞。这次的demo和上次一样在片段着色器中进行光的计算和补色着色，所以能够进行非常美丽的渲染。

这次的文章中仅仅须要明确是进行了光照相关的基础部分的封装，WebGL中的着色依据功夫是否到家，能够渲染出各种效果，从如今開始要有应用的能力了，以后会进行一些特殊的技术的具体的介绍。

那么，这次也提供了实际的demo，请点击连接进行測试。

下次，要開始图片的渲染了，期待吧。

用点光源来渲染圆环体和球体

http://wgld.org/s/sample_013/

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