学习OpenGL:冯氏光照模型

本文详细解释了现实世界中光照对物体颜色的影响,并介绍了冯氏光照模型,包括环境光照、漫反射和镜面反射。通过材质参数如Ambient、Diffuse和Specular描述物体对不同光源的反应,以及如何在OpenGL中实现片段着色器计算最终颜色。

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在现实世界中光照使得我们能够看见物体的颜色,物体颜色的不同本质上是因为其表面对光的吸收和反射的能力不同。光的三原色是红绿蓝(RGB: Red, Green, Blue),因此我们一般用一个三维向量来描述物体的颜色。假设一个物体 AAA 的颜色向量为 VA=(RA,GA,BA)V_A=(R_A,G_A,B_A)VA=(RA,GA,BA)RA,GA,BA∈[0.0,1.0]R_A,G_A,B_A \in [0.0, 1.0]RA,GA,BA[0.0,1.0],这表示的意义是:

物体 AAA 对红光的反射比率为 RAR_ARA,即光照在物体 AAA 上会有 1−RA1-R_A1RA 比率的红光被吸收,绿蓝光同理

因此,假设只有一束光 VL=(RL,GL,BL)V_L=(R_L,G_L,B_L)VL=(RL,GL,BL) 照射在物体 AAA 上,然后被我们看见,我们看到的物体 AAA 的颜色就是:
Color=VL∗VA Color=V_L * V_A Color=VLVA
这里的 ∗* 表示的是各个分量相乘,即 VL∗VA=(RLRA,GLGA,BLBA)V_L*V_A=(R_LR_A,G_LG_A,B_LB_A)VLVA=(RLRA,GLGA,BLBA)

现实世界中的太阳光的颜色向量为 (1.0,1.0,1.0)(1.0,1.0,1.0)(1.0,1.0,1.0),因此我们看到的物体的颜色就是它本身的颜色,但是实际上 RGB 表示法描述的是物体对光的吸收率,当光的 RGB 组成不同时,我们看到的颜色也不一样。




鉴于光照在现实世界的重要性,虚拟世界也应当模拟光照的效果,才能尽可能接近真实。在现实生活中我们存在许许多多的光源,比如太阳、台灯、蜡烛等等,还有物体反射的光照在另外一个物体表面还会再次反射,这么复杂的系统很难通过计算机精准地模拟出来。因此实际使用的光照模型都是基于物理特性对现实的近似,其中一种是冯氏光照模型(Phong Lighting Model),它由三个光照分量组成:

  • 环境光照(Ambient Lighting):用于综合那些细微的不易于处理的“小光照”,将它们的影响合计为一个环境光照常量,因此物体在没有主光源的情况下也存在一些颜色。
  • 漫反射光照(Diffuse Lighting):模拟物体对光源的漫反射,
  • 镜面光照(Specular Lighting):模拟物体对光源的镜面反射

(图片来自 https://learnopengl.com/Lighting/Basic-Lighting)



在这个光照模型中,同一个物体对三种光照分量的反射能力不同,因此我们可以定义物体的材质(Materials)。一个物体的材质包括:

  • Ambient :MA=(RA,GA,BA)M_A=(R_A,G_A,B_A)MA=(RA,GA,BA),描述物体对环境光照的反射能力;
  • Diffuse :MD=(RD,GD,BD)M_D=(R_D,G_D,B_D)MD=(RD,GD,BD),描述物体对漫反射光照的反射能力;
  • Specular :MS=(RS,GS,BS)M_S=(R_S,G_S,B_S)MS=(RS,GS,BS),描述物体对镜面光照的反射能力;
  • Shininess :描述物体的反光度,反光度越高,高光点越小越亮

同样的,还需要定义光照(Lighting),一个光照包括:

  • Ambient :LA=(RA,GA,BA)L_A=(R_A,G_A,B_A)LA=(RA,GA,BA),描述光照的环境光照分量;
  • Diffuse :LD=(RD,GD,BD)L_D=(R_D,G_D,B_D)LD=(RD,GD,BD),描述光照的漫反射光照分量;
  • Specular :LS=(RS,GS,BS)L_S=(R_S,G_S,B_S)LS=(RS,GS,BS),描述光照的镜面反射光照分量

在上述的模型定义下,我们考虑光照和材质对最终显示的颜色的影响:

  1. 环境光照部分:ambient=Lighting.Ambient ∗ Materials.Ambientambient=Lighting.Ambient \ * \ Materials.Ambientambient=Lighting.Ambient  Materials.Ambient

  2. 漫反射光照部分:

    漫反射的强弱与光的入射角有关,因此从这部分开始我们引入三个已知变量,他们分别是被光照点坐标 fragPosfragPosfragPos、被光照点法向量 fragNormalfragNormalfragNormal(单位向量)和光源坐标 lightPoslightPoslightPos,由此可以得到入射光(反方向的)单位向量 lightDir=normalize(lightPos−fragPos)lightDir=normalize(lightPos-fragPos)lightDir=normalize(lightPosfragPos)​,然后将光照向量和法向量的内积 diff=max(dot(lightDir,fragNormal),0)diff=max(dot(lightDir,fragNormal),0)diff=max(dot(lightDir,fragNormal),0) 当做漫反射系数(当内积为负数没有意义所以取0),得到漫反射部分 diffuse=diff∗Light.Diffuse∗Materials.Diffusediffuse=diff*Light.Diffuse*Materials.Diffusediffuse=diffLight.DiffuseMaterials.Diffuse 。

  3. 镜面光照部分:

    镜面反射还要跟观察者扯上关系,实际生活中应该也有体会,就算物体和光源不动,观察者移动的时候高光点也会跟着移动。所以我们引入变量 viewPosviewPosviewPos​ 表示观察者的位置,然后通过反射向量和观察向量的夹角去控制光照强度。反射光线通过 reflectDir=reflect(−lightDir,fragNormal)reflectDir = reflect(-lightDir,fragNormal)reflectDir=reflect(lightDir,fragNormal) 求得,而 viewDir=normalize(viewPos−fragPos)viewDir=normalize(viewPos-fragPos)viewDir=normalize(viewPosfragPos),因为两者都是单位向量,所以它们的夹角就等于它们的内积,然后计算镜面反射系数 spec=max(dot(viewDir,reflectDir),0)Materials.Shininessspec=max(dot(viewDir,reflectDir),0)^{Materials.Shininess}spec=max(dot(viewDir,reflectDir),0)Materials.Shininess,最终的镜面光照部分 specular=spec∗Light.Specular∗Materials.Specularspecular=spec*Light.Specular*Materials.Specularspecular=specLight.SpecularMaterials.Specular

    可以看到,镜面反射系数不仅跟夹角 α\alphaα 有关(夹角越小系数越大,光照强度越大),还跟反光度 Shininess 有关,反光度越大,当 α\alphaα 小一点点时对最终结果的影响就越大,所以光的集中程度越高。

  4. 最终颜色:result=ambient+diffuse+specularresult = ambient+diffuse+specularresult=ambient+diffuse+specular




在OpenGL中,我们在片段着色器(Fragment Shader)中指定每一个片段的颜色,着色器代码如下:

#version 430 core

struct Material
{
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
    float shininess;    // 反光度:越高,反光能力越强,散射的越少,高光点越小
};

struct Light
{
    vec3 position;

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};

in vec3 fragNormal;	// 法向量,从vertex shader中获得
in vec3 FragPos;	// 片段位置,从vertex shader中获得

out vec4 FragColor;

uniform vec3 viewPos;
uniform Material material;
uniform Light light;

void main()
{
    // 环境光照
    vec3 ambient = light.ambient * material.ambient;
    // 漫反射光照
    vec3 norm = normalize(fragNormal);
    vec3 lightDir = normalize(light.position - FragPos);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
    vec3 diffuse = (diff * material.diffuse) * light.diffuse;
    // 镜面光照
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    vec3 specular = (material.specular * spec) * light.specular;

    // 混合 冯氏光照模型
    vec3 result = ambient + diffuse + specular;
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}
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