[转]OpenGL ES系列 之 提高-3：光照

前面已经提到过没有光就看不见东西，无论是顶点颜色、表面材质还是纹理贴图，只有打开了光照才能看得见。

还记得下面这两行代码吗？
glEnable( GL_LIGHTING );
glEnable( GL_LIGHT0 );
第一行是在说“要有光”，于是世界就有光了。第二行是在说打开0号光源，于是世界就被在默认光源(0, 0, 1.0, 0)——照向-z轴方向的平行光——白色光照亮了。

在CG世界里，我们把光照总结成几种常用模型：环境光、平行光、点光源、聚光灯。环境光是无所不在的漫射光，是场景的背景亮度。

在OpenGL ES里，没法直接定义一个无确定方向和位置的环境光源，所以忘掉在某些3D制作软件或开发工具里放置一个环境光源的经历吧。OpenGL ES的环境光是光源本身的一个属性。

平行光是指有方向但没有具体位置的光源，比如实际生活中的日光。这种光源也被称为方向光或平面光。在OpenGL ES中可以将光源位置(x,y,z,w)中的w置为0来定义平行光源。

点光源是指有具体位置，向所有方向均匀发射光线的光源，就象实际生活中的灯泡。在OpenGL ES中的光源默认就是点光源。

聚光灯是受限的点光源，只在照射方向某个角度范围之内投射光线，并且光照的强度可能与夹角有关系。在OpenGL ES中可以通过GL_SOPT_DIRECTION, GL_SPOT_CUTOFF, GL_SPOT_EXPONENT等参数来定义一个聚光灯。

现在再来看一下OpenGL ES里定义一个光源都有哪些参数可用：

光源颜色：GL_AMBIENT 环境光RGBA强度, GL_DIFFUSE 散射光RGBA强度, GL_SPECULAR 高光(镜面反射区)RGBA强度
光源位置：GL_POSITION (x,y,z,w)齐次坐标，w为0时为平行光，此时光照计算仅依赖于光源方向而与其位置无关，并且光线不进行衰减处理。
聚光性：GL_SPOT_DIRECTION 聚光灯光照方向，GL_SPOT_CUTOFF 最大发散角[0,90] 与方向夹角超过此范围的区域不会被光照到。

光照计算:
OpenGL ES里光照的效果最终表现为物体表面各点的颜色，它必然要和物体表面的材质纹理合并起来。而在同一个场景里可能有多个光源，这些光源的照明效果也需要合并。

• 合并光照效果：
  
  • C = 材质的自发光(emissive_mat) + 环境光强(ambient_mat * ambient_scene) + ∑ 反射光
    
  • 各光源的反射光强度计算：
    
    • 传播衰减系数 * 聚光衰减系数 * ( 散射光 + 漫射光 + 高光 )。
      
      • 传播衰减系数表示光源与物体间距d对光强的影响，OpenGL ES实际上可指定常量衰减因子k0, 线性衰减因子k1, 平方衰减因子k2，三者合起来( k0 + k1*d + k2*d² )才是总的传播衰减系数。
        
      • 聚光衰减因子表达的是聚光灯的聚光特性——光锥的中心最亮，越往边缘越暗，与光线偏离中心线的角度有关。
      • 散射光 = ambient_mat * ambient_light
        
      • 漫射光 = diffuse_mat * diffuse_light * ( normal Vector_{vertex_to_positionlight}) )
        
      • 高光 = ( normal halfVector )^specExp_mat * specular_mat * specular_light
        
        • * halfVector = Vector_{light_to_vertex} + Vector_{vertex_to_eye}
          
• * 高光部分的计算公式表明，OpenGL ES使用的是Blinn-Phong光照模型。
  如果需要使用其它模型，可以通过编程实现，不过在没有Shader支持的情况下，就利用不上硬件加速。OpenGL ES 2.0定义了可编程管线，可以编写Shader，不过我还没有见过实际支持的硬件，只有某些软件库支持。

在这个光照计算公式下，各种光源的控制如下：

• 平行光/方向光：
  • 这种光源位置的w=0，表示从无限远处照过来，这种光是不衰减的，即物体顶点与光源之间的距离差别忽略不计。这种光源的反射光计算非常简单，光源的照射方向记为halfVector_light，则光照效果为：
    ambient += ambient_light
    diffuse += diffuse_light * (normal position_light)
    specular += specular_light * ( normal halfVector_light )^{shiness_{material_front}}
    
  • 建立一个这样光源LIGHTi的命令序列为：
    glEnable(GL_LIGHTi)
    glLight
    
• 点光源
• 聚光灯

这是一个挺不错的光照试验程序，可以在PC上用来帮助理解OpenGL光照模型。作者只以源码的形式发行这个工具，在windows上可能需要借助 cygwin编译，或者有耐心的自己拿源码做个VC项目亦可。