光照

光照是3D图形中最重要的主题之一，它决定了场景的真实感和视觉效果。本章将介绍OpenGL中的光照模型和实现方法。

光照基础

现实世界中的光照非常复杂，OpenGL使用简化的模型来模拟光照效果。最常用的模型是冯氏光照模型（Phong Lighting Model）。

冯氏光照模型

冯氏光照模型由三个分量组成：

环境光（Ambient）：模拟间接光照，使物体不会完全黑暗
漫反射（Diffuse）：模拟光线直接照射到物体表面的效果
镜面反射（Specular）：模拟光滑表面的高光效果

最终颜色 = 环境光 + 漫反射 + 镜面反射

环境光

环境光是最简单的光照分量，它假设场景中有一些基础光照，使物体不会完全黑暗。

// 片段着色器
void main() {
    float ambientStrength = 0.1;
    vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;
    
    vec3 result = ambient * objectColor;
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

漫反射

漫反射模拟光线照射到粗糙表面的效果。光照强度取决于光线方向与表面法线之间的夹角。

法线向量

法线是垂直于表面的向量，用于计算光照：

// 顶点数据包含法线
float vertices[] = {
    // 位置              // 法线
    -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,
    // ...
};

漫反射计算

漫反射强度 = max(dot(法线, 光线方向), 0)

// 顶点着色器
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;

out vec3 FragPos;
out vec3 Normal;

uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

void main() {
    FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
    Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;
    gl_Position = projection * view * vec4(FragPos, 1.0);
}

// 片段着色器
#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec3 FragPos;
in vec3 Normal;

uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 objectColor;

void main() {
    // 环境光
    float ambientStrength = 0.1;
    vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;
    
    // 漫反射
    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
    vec3 diffuse = diff * lightColor;
    
    vec3 result = (ambient + diffuse) * objectColor;
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

法线矩阵

当模型发生非均匀缩放时，法线会变形。需要使用法线矩阵来正确变换法线：

Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;

镜面反射

镜面反射模拟光滑表面的高光效果，取决于观察者的位置。

// 片段着色器
#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec3 FragPos;
in vec3 Normal;

uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 viewPos;
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 objectColor;

void main() {
    // 环境光
    float ambientStrength = 0.1;
    vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;
    
    // 漫反射
    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
    vec3 diffuse = diff * lightColor;
    
    // 镜面反射
    float specularStrength = 0.5;
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);
    vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor;
    
    vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * objectColor;
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

高光指数

高光指数（shininess）控制高光的大小和锐利程度：

较小的值（如2）：大而模糊的高光
较大的值（如256）：小而锐利的高光

光源类型

点光源

点光源从一点向所有方向发射光线，光线强度随距离衰减：

struct PointLight {
    vec3 position;
    
    float constant;
    float linear;
    float quadratic;
    
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};

// 衰减计算
float distance = length(light.position - FragPos);
float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + 
                          light.quadratic * distance * distance);

ambient *= attenuation;
diffuse *= attenuation;
specular *= attenuation;

衰减参数参考：

距离范围	constant	linear	quadratic
7	1.0	0.7	1.8
13	1.0	0.35	0.44
20	1.0	0.22	0.20
50	1.0	0.09	0.032
100	1.0	0.045	0.0075

方向光

方向光模拟远处的光源（如太阳），所有光线平行：

struct DirLight {
    vec3 direction;
    
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};

vec3 CalcDirLight(DirLight light, vec3 normal, vec3 viewDir) {
    vec3 lightDir = normalize(-light.direction);
    
    // 漫反射
    float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    
    // 镜面反射
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    
    vec3 ambient = light.ambient * material.diffuse;
    vec3 diffuse = light.diffuse * diff * material.diffuse;
    vec3 specular = light.specular * spec * material.specular;
    
    return ambient + diffuse + specular;
}

聚光灯

聚光灯从一点向特定方向发射锥形光线：

struct SpotLight {
    vec3 position;
    vec3 direction;
    float cutOff;
    float outerCutOff;
    
    float constant;
    float linear;
    float quadratic;
    
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};

vec3 CalcSpotLight(SpotLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir) {
    vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);
    
    // 检查是否在聚光灯范围内
    float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
    float epsilon = light.cutOff - light.outerCutOff;
    float intensity = clamp((theta - light.outerCutOff) / epsilon, 0.0, 1.0);
    
    // 衰减
    float distance = length(light.position - fragPos);
    float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + 
                              light.quadratic * distance * distance);
    
    // 漫反射
    float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    
    // 镜面反射
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
    
    vec3 ambient = light.ambient * material.diffuse;
    vec3 diffuse = light.diffuse * diff * material.diffuse * intensity;
    vec3 specular = light.specular * spec * material.specular * intensity;
    
    return (ambient + diffuse + specular) * attenuation;
}

材质

材质定义了物体如何响应光照：

struct Material {
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
    float shininess;
};

uniform Material material;

使用纹理作为材质

struct Material {
    sampler2D diffuse;
    sampler2D specular;
    float shininess;
};

// 片段着色器
vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));

多光源

组合多种光源：

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec3 FragPos;
in vec3 Normal;
in vec2 TexCoords;

struct DirLight {
    vec3 direction;
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};

struct PointLight {
    vec3 position;
    float constant;
    float linear;
    float quadratic;
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};

struct Material {
    sampler2D diffuse;
    sampler2D specular;
    float shininess;
};

uniform DirLight dirLight;
uniform PointLight pointLights[4];
uniform Material material;
uniform vec3 viewPos;

// 函数声明
vec3 CalcDirLight(DirLight light, vec3 normal, vec3 viewDir);
vec3 CalcPointLight(PointLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir);

void main() {
    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
    
    // 方向光
    vec3 result = CalcDirLight(dirLight, norm, viewDir);
    
    // 点光源
    for(int i = 0; i < 4; i++)
        result += CalcPointLight(pointLights[i], norm, FragPos, viewDir);
    
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

光照贴图

使用纹理来定义材质属性：

// 加载漫反射贴图
unsigned int diffuseMap = loadTexture("container2.png");

// 加载镜面反射贴图
unsigned int specularMap = loadTexture("container2_specular.png");

// 设置uniform
glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.ID, "material.diffuse"), 0);
glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.ID, "material.specular"), 1);

// 绑定纹理
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, diffuseMap);
glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, specularMap);

完整示例

#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>
#include "shader.h"
#include "camera.h"

// 顶点数据
float vertices[] = {
    // 位置              // 法线              // 纹理坐标
    -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,  0.0f, 0.0f,
     0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,  1.0f, 0.0f,
     0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,  1.0f, 1.0f,
     0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,  1.0f, 1.0f,
    -0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,  0.0f, 1.0f,
    -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,  0.0f, 0.0f,
    // ... 其他面
};

int main() {
    // 初始化...
    
    Camera camera(glm::vec3(0.0f, 0.0f, 3.0f));
    
    Shader lightingShader("lighting.vs", "lighting.fs");
    Shader lampShader("lamp.vs", "lamp.fs");
    
    // 创建VAO、VBO...
    
    // 光源位置
    glm::vec3 lightPos(1.2f, 1.0f, 2.0f);
    
    while (!glfwWindowShouldClose(window)) {
        processInput(window);
        
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
        
        // 绘制物体
        lightingShader.use();
        lightingShader.setVec3("light.position", lightPos);
        lightingShader.setVec3("viewPos", camera.Position);
        
        // 光照属性
        lightingShader.setVec3("light.ambient", 0.2f, 0.2f, 0.2f);
        lightingShader.setVec3("light.diffuse", 0.5f, 0.5f, 0.5f);
        lightingShader.setVec3("light.specular", 1.0f, 1.0f, 1.0f);
        
        // 材质属性
        lightingShader.setVec3("material.ambient", 1.0f, 0.5f, 0.31f);
        lightingShader.setVec3("material.diffuse", 1.0f, 0.5f, 0.31f);
        lightingShader.setVec3("material.specular", 0.5f, 0.5f, 0.5f);
        lightingShader.setFloat("material.shininess", 32.0f);
        
        // 变换矩阵
        glm::mat4 projection = glm::perspective(glm::radians(camera.Zoom), 
                                                 800.0f / 600.0f, 0.1f, 100.0f);
        glm::mat4 view = camera.GetViewMatrix();
        glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f);
        
        lightingShader.setMat4("projection", projection);
        lightingShader.setMat4("view", view);
        lightingShader.setMat4("model", model);
        
        glBindVertexArray(VAO);
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
        
        // 绘制光源
        lampShader.use();
        lampShader.setMat4("projection", projection);
        lampShader.setMat4("view", view);
        model = glm::mat4(1.0f);
        model = glm::translate(model, lightPos);
        model = glm::scale(model, glm::vec3(0.2f));
        lampShader.setMat4("model", model);
        
        glBindVertexArray(lightVAO);
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
        
        glfwSwapBuffers(window);
        glfwPollEvents();
    }
    
    glfwTerminate();
    return 0;
}

小结

光照是3D图形的核心：

冯氏光照模型包含环境光、漫反射和镜面反射
法线用于计算光照方向
不同类型的光源有不同的特性
材质定义物体如何响应光照

下一章我们将学习模型加载，加载复杂的3D模型。

光照调试

如果光照效果不正确，检查以下几点：

法线是否正确设置和变换
光源位置是否正确
观察者位置是否正确传递给着色器
向量是否归一化

光照基础​

冯氏光照模型​

环境光​

漫反射​

法线向量​

漫反射计算​

法线矩阵​

镜面反射​

高光指数​

光源类型​

点光源​

方向光​

聚光灯​

材质​

使用纹理作为材质​

多光源​

光照贴图​

完整示例​

小结​