学习OpenGL ES之高级光照

在基本光照中为大家介绍了环境光和漫反射光构成的基本光照模型。本文将为大家介绍Blinn-Phong光照模型，通过环境光，漫反射光和高光渲染出更加真实的物体。

Blinn-Phong光照模型分为三个部分，环境光，漫反射光，高光（也可以理解为镜面反射光），将这三种光和物体本来的颜色融合，就可以计算出最终的颜色了。下面我们先来介绍这三种光的物理含义。

环境光

真实世界里，就算在晚上，物体也不一定会处于完全黑暗状态，总会有一些微弱的光源照亮物体，比如月光，被灯光照亮的天空等等，为了模拟这种情况，我们使用环境光这一概念来表达周围环境提供的微弱光亮。对于环境光我们可以使用环境光颜色 ambientColor 和强度 ambientIndensity 来表示。 ambientColor 乘以 ambientIndensity 就是环境光产生的颜色。

如果你处于大森林中又恰巧乌云蔽月，应该就不用计算环境光了。

漫反射光

表面粗糙的物体会将光反射到各个方向，无论我们从哪个方向观察它，都会看到一样的光照效果。我们把这些光称为漫反射光。

白光是由各种不同颜色（波长）的光组成的。如果我们看到物体是红色，就表明这个物体把除了红光外的其他光都吸收了。我们可以用向量乘法轻松的来表达这一物理现象。

物体颜色 = (1.0, 0.0, 0.0) // r,g,b白光 = (1.0, 1.0, 1.0) // r,g,b白光照射物体后 = (1.0, 1.0, 1.0) * (1.0, 0.0, 0.0) = (1.0 * 1.0, 1.0 * 0.0, 1.0 * 0.0) = (1.0, 0.0, 0.0)

有了这个公式，我们可以随意调整物体的颜色和光的颜色，然后通过它计算出最终色。除了颜色我们还需要计算接受到的光照强度，这个在基本光照中已有提及。我们通过光线和法线的夹角来计算接受到的光照强度。强度乘以上面计算出的最终色就是漫反射光产生的颜色。

高光

表面光滑的物体，比如汽车的烤漆，光滑的金属，会对光进行镜面反射，如果你的眼睛刚好在光线的反射光附近，那么你将看到强烈的光照。传统的Phong光照模型就是先计算光线相对于当前法线的反射光，然后将视线向量和反射光向量点乘来计算观察到的反射光强度。但是这种算法在视线和反射光夹角大于90度时效果不佳，所以本文采用Blinn-Phong模型来计算反射光强度。

我们先求解出视线向量和光线向量的半向量H，就是将视线向量和光线向量规范化后相加再规范化。然后将H和法向量N点乘来计算高光强度 specularStrength 。计算出强度后，我们会使用一个参数 smoothness 再次处理强度， specularStrength= pow(specularStrength, smoothness) ， smoothness 越大，高光就会使平面显得越光滑。

红色是pow(cos, 100)曲线，绿色是cos曲线。

通过上图我们可以看出来，对cos进行幂运算，指数越大，曲线边缘下降越快，而且越窄。我们看到的光滑表面一般都具有较窄和快速衰减的高光，所以smoothness取较大值时，可以模拟光滑的表面。

Fragment Shader

了解完原理后，接下来我们来看看新的Fragment Shader。

precision highp float;// 平行光struct Directionlight {vec3 direction;vec3 color;float indensity;float ambientIndensity;};struct Material {vec3 diffuseColor;vec3 ambientColor;vec3 specularColor;float smoothness; // 0 ~ 1000 越高显得越光滑};varying vec3 fragNormal;varying vec2 fragUV;varying vec3 fragPosition;uniform float elapsedTime;uniform Directionlight light;uniform Material material;uniform vec3 eyePosition;uniform mat4 normalMatrix;uniform mat4 modelMatrix;uniform sampler2D diffuseMap;void main(void) {vec3 normalizedLightDirection = normalize(-light.direction);vec3 transformedNormal = normalize((normalMatrix * vec4(fragNormal, 1.0)).xyz);// 计算漫反射float diffuseStrength = dot(normalizedLightDirection, transformedNormal);diffuseStrength = clamp(diffuseStrength, 0.0, 1.0);vec3 diffuse = diffuseStrength * light.color * material.diffuseColor * light.indensity;// 计算环境光vec3 ambient = vec3(light.ambientIndensity) * material.ambientColor;// 计算高光vec4 eyeVertexPosition = modelMatrix * vec4(fragPosition, 1.0);vec3 eyeVector = normalize(eyePosition - eyeVertexPosition.xyz);vec3 halfVector = normalize(normalizedLightDirection + eyeVector);float specularStrength = dot(halfVector, transformedNormal);specularStrength = pow(specularStrength, material.smoothness);vec3 specular = specularStrength * material.specularColor * light.color * light.indensity;// 最终颜色计算vec3 finalColor = diffuse + ambient + specular;gl_FragColor = vec4(finalColor, 1.0);}

首先我们定义了两个结构体 struct Directionlight 和 struct Material ，来描述平行光照和物体材质。下面是他们中成员变量的定义。

Directionlight

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