【learnOpenGL学习笔记_9】OpenGL光照基础：从零开始的保姆级实战指南

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在3D图形的世界里，光照是赋予场景灵魂的关键要素。今天，我们就来深入探讨一下OpenGL中的光照基础，帮助初学者快速上手实操。完整代码见文末。

1. 什么是光照？

光照，简单来说，就是模拟光线在物体表面的反射和折射效果。在现实世界中，光照是极其复杂的，受到诸多因素的影响。但OpenGL通过简化的模型，基于对现实的估计，让我们能够相对容易地模拟出逼真的光照效果。

2. 冯氏光照模型

在OpenGL中，常用的光照模型是冯氏光照模型（Phong Lighting Model）。这个模型由三个主要部分组成：环境光照、漫反射光照和镜面光照。

2.1 环境光照(Ambient Lighting)

环境光照模拟的是即使在黑暗中，物体也不会完全黑暗的效果。这是因为周围环境总会有一些光线散射到物体上。在OpenGL中，我们可以通过一个很小的常量来模拟这种效果。

float ambientStrength = 0.1f;
vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;

主要是在原来光照基础上，乘上一个很小的环境光照系数。效果如下：

2.2 漫反射光照(Diffuse Lighting)

漫反射光照模拟的是物体表面因光线方向不同而产生的明暗变化。面向光源的一面会更亮，而背对光源的一面则会更暗。这需要我们使用法向量（Normal Vector）来计算光线与物体表面的角度。

图左上方有一个光源，它所发出的光线落在物体的一个片段上。我们需要测量这个光线与它所接触片段法线之间的角度。如果光线垂直于物体表面，这束光对物体的影响会最大化。

两个单位向量的角度越小，它们点乘的结果越倾向于1。当两个向量的角度是90度的时候，点乘会变为0。角度越大，光对片段颜色的影响越小。

注意，我们使用的是单位向量(Unit Vector，长度是1的向量)取得两个向量夹角的余弦值，所以我们需要确保所有的向量都被标准化，否则点乘返回的值就不仅仅是余弦值了

所以，为了计算漫反射光照，我们现在需要一个法向量，一个光源的方向向量。而光照的方向向量，我们可以通过光源的位置减去片段位置来得到。最终，我们需要知道以下变量：

• 法向量（Normal）
• 光源位置（Light Position）
• 片段位置（Fragment Position）

2.2.1 法向量设置

由于咱们是初学，为了简单起见，直接将法向量写入顶点着色器中。因为是立方体，所以法线很容易知道。

2.2.1.1 顶点数据加入法向量

// 立方体顶点
float vertices[] = {
   
   
    -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,
    0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f, 
    0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f, 
    0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f, 
    -0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f, 
    -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f, 

    -0.5f, -0.5f