光照原理
光线照射时需要注意的两个重要的现象
- 物体不同表面的 明暗程度 变得不一致
- 物体向地面投下了 影子
着色器与光照
- 着色（shading） 真正的含义就是： 根据光照条件重建物体各表面明暗不一的效果。
- 着色器（Shader） 最初被发明出来就是为了： 重建光照产生的明暗现象。
着色过程需要重点考虑的两点：
- 发出光线的 光源类型
- 物体表面 如何反射光线
光源类型
三种基本光源类型
| 类型 | 描述 | 定义条件 | 类比 |
|---|---|---|---|
| 平行光（directional light） | 光线相互平行，可以看做无限远处光源发出的光 | 方向，颜色 | 太阳光 |
| 点光源光（point light） | 从一个点向周围所有方向发出的光 | 位置，颜色 | 灯泡、火焰 |
| 环境光（ambient light） | 从各个角度照射物体，强度一致 | 颜色 | 打开冰箱门的灯光 |
反射类型
影响反射光的2个因素是什么？
答： 入射光和物体表面的类型。
| 入射光 | 物体表面 |
|---|---|
| 方向 | 基底色 |
| 颜色 | 反射特性 |
物体表面反射光线的方式（2种）
- 漫反射 diffuse reflection
- 环境反射 enviroment ambient reflection
漫反射是针对平行光或点光源的。
反射方向
漫反射反射光 在各个方向上是均匀的 。
一般针对表面粗糙的材质，是一种理想的反射模型。
反射颜色
反射颜色受三个因素的影响：
- 入射光的颜色
- 表面的基底色
- 入射角 入射光与表面发现形成的夹角θ
漫反射光颜色的计算公式：
1 | <漫反射光颜色> = <入射光颜色> * <表面基底色> * cosθ |
环境反射是针对环境光的。
反射方向
反射光方向可以认为就是 入射光的反方向 。
反射颜色
1 | <环境反射光颜色> = <入射光颜色> * <表面基底色> |
漫反射和环境反射同时存在时的颜色计算公式
1 | <表面的反射光颜色> = <漫反射光颜色> + <环境反射光颜色> |
入射角的计算
矢量点积
如果要对 矢量n 和 矢量l 做点积运算，公式如下：
1 | n·l = |n| * |l| * cosθ |
由此可以推演出入射角cosθ的计算公式：
1 | cosθ = n·l/(|n| * |l|) |
GLSL_ES中内置了点积运算函数，可以直接使用·表示点积运算。
1 | cosθ = <光线方向> · <法线方向> |
内置函数计算点积实际用到的公式
- n = ( nx, ny, nz )
- l = ( lx, ly, lz )
1
n·l = nx*lx + ny*ly + nz*lz
使用点积表示的漫反射光颜色公式
1 | <漫反射光颜色> = <入射光颜色> * <表面基底色> * (<光线方向> · <法线方向>) |
注意点1：参与计算的矢量需要进行归一化处理。
光线方向矢量 和 表面法线矢量 长度必须是1，
否则反射光颜色就会过暗或过亮。
归一化（normalization）
指的是将一个矢量 长度调整为1，同时保持方向不变。
假设矢量n = (nx,ny,nz)
设矢量n的长度为m，即 |n|= m = sqrt(nx^2 + ny^2 + nz^2)
n归一化后结果为 (nx/m,ny/m,nz/m)
如设n = (2.0,2.0,1.0)
|n| = sqrt(2^2 + 2^2 + 1^2) = 3
n归一化结果 = (2.0/3, 2.0/3, 1.0/3)
注意点2：光线方向到底是指向哪里？
答： 实际上是入射方向的反方向。
法线
法线是什么？
法线 或 法向量，表示物体表面的朝向，即垂直于表面的方向。
法向量的相关问题需要考虑下面两点：
注意点1：一个表面具有两个法向量
就好像奥利奥的夹心两边都有饼干一样。
如 xy平面 的两个法向量分别是：
- (0,0,1)
- (0,0,-1)
注意点2：平面的法向量唯一
法向量表示的是 方向，和位置无关，因此：
同一平面的任意一点都有相同的法向量
朝向相同的个不同平面的法向量也相同
就像同一根签穿起来的糖葫芦球一样。
法向量的写入
计算好的法向量和其他attribute类型的属性一样，也需要传给顶点着色器程序，
其操作方法类似于 ColoredCube 中 颜色缓冲区 的写入。
如立方体的每个顶点对应3个法向量（这是由于立方体表面垂直相交的缘故，但是表面光滑的物体通常每个顶点只对应1个法向量）。
