C++游戏引擎开发指南：经典光照模型中的点光源实现

最新推荐文章于 2025-06-12 09:08:16 发布

卫伊祺Ralph

最新推荐文章于 2025-06-12 09:08:16 发布

阅读量331

点赞数 4

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/gitblog_00486/article/details/148601757

版权

C++游戏引擎开发指南：经典光照模型中的点光源实现

cpp-game-engine-book 从零编写游戏引擎教程 Writing a game engine tutorial from scratch 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cp/cpp-game-engine-book

点光源的基本概念

点光源是3D图形学中常见的一种光源类型，它模拟的是从一个点向所有方向均匀发射光线的光源，比如灯泡、小灯或发光体发出的光。在游戏引擎开发中，正确实现点光源对于创建逼真的光照效果至关重要。

点光源的核心特性

点光源具有三个关键特性：

位置相关性：光照效果取决于物体与光源的相对位置
无方向性：光线向所有方向均匀发射
距离衰减：光照强度随距离增加而减弱

光照衰减模型详解

1. 线性衰减模型

最简单的衰减模型是线性衰减，公式为：

衰减因子 = 1 / (K * 距离)

其中K是衰减系数。这种模型计算简单，但效果不够真实，因为现实中光的衰减并非线性。

2. 带一次项的曲线衰减

更接近现实的衰减模型引入了一次项：

衰减因子 = 1 / (K_c + K_l * 距离)

其中：

K_c是常数项（通常设为1.0）
K_l是线性衰减系数

这种模型在近距离衰减较快，远距离变化平缓，更符合物理规律。

3. 二次曲线衰减模型

最真实的衰减模型引入了二次项：

衰减因子 = 1 / (K_c + K_l * 距离 + K_q * 距离²)

其中新增的K_q是二次衰减系数。这种模型的特点是：

近距离衰减非常剧烈
中距离衰减趋于线性
远距离衰减再次变缓

这种复杂的衰减曲线能产生最自然的光照效果。

实用衰减参数推荐

经过实践验证，以下参数组合能产生良好的视觉效果：

| 光照范围 | 常数项(K_c) | 线性项(K_l) | 二次项(K_q) | |---------|------------|------------|------------| | 3250 | 1.0 | 0.0014 | 0.000007 | | 600 | 1.0 | 0.007 | 0.0002 | | 325 | 1.0 | 0.014 | 0.0007 | | ... | ... | ... | ... |

开发者可以根据具体场景需求选择合适的参数组合。

点光源的Shader实现

在片段着色器中实现点光源需要考虑三个光照分量：

环境光：基础照明，不受衰减影响
漫反射：受表面法线和光线方向影响
高光反射：受视角和反射方向影响

关键实现代码如下：

// 计算衰减
float distance = length(u_point_light.data.pos - v_frag_pos);
float attenuation = 1.0 / (u_point_light.data.constant + 
                          u_point_light.data.linear * distance + 
                          u_point_light.data.quadratic * (distance * distance));

// 应用衰减到漫反射和高光
vec3 result = ambient_color + 
             diffuse_color * attenuation + 
             specular_color * attenuation;

引擎中的点光源组件

在游戏引擎中，我们创建了PointLight类来管理点光源属性：

class PointLight : public Light {
public:
    void set_attenuation_constant(float constant);
    void set_attenuation_linear(float linear);
    void set_attenuation_quadratic(float quadratic);
    void Update() override;
    
private:
    float attenuation_constant_;
    float attenuation_linear_;
    float attenuation_quadratic_;
};

这个类负责：

维护衰减参数
更新着色器uniform变量
同步光源位置变化

实际应用示例

在游戏场景中使用点光源的Lua示例：

function CreateLight()
    local light_go = GameObject.new("point_light")
    light_go:GetComponent(Transform):set_position(glm.vec3(0,0,5))
    local light = light_go:AddComponent(PointLight)
    
    light:set_color(glm.vec3(1.0,0.0,0.0))
    light:set_intensity(1.0)
    light:set_attenuation_constant(1.0)
    light:set_attenuation_linear(0.35)
    light:set_attenuation_quadratic(0.44)
end

这段代码创建了一个红色的点光源，使用了中等距离的衰减参数。