OpenGL光线渲染

本文阐述若干种冯氏BDRF模型中光线的渲染方式。

投光物

  • 定向光(平行光)
  • 点光源
  • 聚光

定向光(direct light)

当一个光源处于很远的地方时,来自光源的每条光线就会近似于互相平行。不论物体和/或者观察者的位置,看起来好像所有的光都来自于同一个方向。当我们使用一个假设光源处于无限远处的模型时,它就被称为定向光,因为它的所有光线都有着相同的方向,它与光源的位置是没有关系的。

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struct Light {
// vec3 position; // 使用定向光就不再需要了
vec3 direction;
vec3 ambient;
vec3 diffuse;
vec3 specular;
};

我们一直将光的位置和位置向量定义为vec3,但一些人会喜欢将所有的向量都定义为vec4。当我们将位置向量定义为一个vec4时,很重要的一点是要将w分量设置为1.0,这样变换和投影才能正确应用。然而,当我们定义一个方向向量为vec4的时候,我们不想让位移有任何的效果(因为它仅仅代表的是方向),所以我们将w分量设置为0.0。

方向向量就会像这样来表示:vec4(0.2f, 1.0f, 0.3f, 0.0f)。这也可以作为一个快速检测光照类型的工具:你可以检测w分量是否等于1.0,来检测它是否是光的位置向量;w分量等于0.0,则它是光的方向向量,这样就能根据这个来调整光照计算了:

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> if(lightVector.w == 0.0) // 注意浮点数据类型的误差
> // 执行定向光照计算
> else if(lightVector.w == 1.0)
> // 根据光源的位置做光照计算(与上一节一样)
>

你知道吗:这正是旧OpenGL(固定函数式)决定光源是定向光还是位置光源(Positional Light Source)的方法,并根据它来调整光照。

点光源

$$
\begin{equation} F_{att} = \frac{1.0}{K_c + K_l d + K_q d^2} \end{equation}
$$

在这里dd代表了片段距光源的距离。接下来为了计算衰减值,我们定义3个(可配置的)项:常数项KcKc、一次项KlKl和二次项KqKq。

  • 常数项通常保持为1.0,它的主要作用是保证分母永远不会比1小,否则的话在某些距离上它反而会增加强度,这肯定不是我们想要的效果。
  • 一次项会与距离值相乘,以线性的方式减少强度。
  • 二次项会与距离的平方相乘,让光源以二次递减的方式减少强度。二次项在距离比较小的时候影响会比一次项小很多,但当距离值比较大的时候它就会比一次项更大了。

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聚光

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  • LightDir:从片段指向光源的向量。
  • SpotDir:聚光所指向的方向。
  • Phiϕ:指定了聚光半径的切光角。落在这个角度之外的物体都不会被这个聚光所照亮。
  • Thetaθ:LightDir向量和SpotDir向量之间的夹角。在聚光内部的话θ值应该比ϕ值小。

边缘模糊

$$
\begin{equation} I = \frac{\theta - \gamma}{\epsilon} \end{equation}
$$

这里ϵ(Epsilon)是内(ϕ)和外圆锥(γ)之间的余弦值差(ϵ=ϕ−γ)。最终的II值就是在当前片段聚光的强度。

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