探究OpenGL光照模型的着色器实现.doc

探究OpenGL光照模型的着色器实现 探究OpenGL光照模型的着色器实现 OpenGL的着色器是新一代显卡提供给开发者一个小程序,为的是让开发者对光照、坐标转换以及像素进行一些个性化的处理。OpenGL的着色器有一种专门的语言:GLSL,现在的GLSL应该全面转向Shader Model5,像我这样的初学者还需要花费更长的时间来学习才能基本了解OpenGL的着色器方面的知识。下面两图展示了OpenGL从固定渲染管线到可编程渲染管线的变化从图中我们可以很容易地看出,OpenGL的顶点着色器取代了固定渲染管线的转换、光照、纹理坐标生成和转换;片断着色器取代了纹理、颜色求和和雾的操作。在OpenGL3.2版本中加入了几何着色器(GeometryShader)这个概念,在OpenGL4.0中又添加了分格化控制(Tessellation Control)和分格化评估(Tessellation Evaluation)着色器,最新的OpenGL版本4.3则添加了计算着色器(Compute Shader)。看来OpenGL的着色器真是越来越复杂,越来越重要了。下面介绍一下光照模型在顶点着色器的实现,所有的内容都可以在《OpenGL超级宝典(第四版)》中找到。漫反射光照是一种简单的光照模型,它只考虑漫反射。它的公式是: N是顶点的单位法线,L是表示从顶点到光源的单位向量方向。C mat 是表面材料的颜色,C li 是光线的颜色, C diff 是最终的散射颜色。注意,N和L在传入之前一定要单位化。如果用顶点着色器来实现的话,则是:uniform vec3 lightPos[1];void main( void ) { // 法线的MVP变换 gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex; vec3 N = normalize( gl_NormalMatrix * gl_Normal ); vec4 V = gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex; vec3 L = normalize( lightPos[0] - V.xyz ); // 输出散射颜色 float NdotL = dot( N, L ); gl_FrontColor = gl_Color * vec4( max( 0.0, NdotL ) ); } 注意,这里lightPos是一个标记为uniform的变量,这意味着可以在运行期传入的一个值到lightPos中来改变着色器的行为。下面是漫反射光照模型的运行结果: 只有漫反射,再漂亮的模型也会失去光泽,我们必须找出一个方法来显示模型的高光,这时应采用镜面反射光照模型。镜面反射光照模型的公式是: H表示光线向量和视图向量(可通过视图矩阵转换)之间的夹角正中的方向。称为半角向量。S exp 是最终产生的镜面颜色。N、L、C mat 和C li 的值与散射光方程式相同。下面是用着色器实现的代码:uniform vec3 lightPos[1];void main( void ) { // 法线变换 gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex; vec3 N = normalize( gl_NormalMatrix * gl_Normal ); vec4 V = gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex; vec3 L = normalize( lightPos[0] - V.xyz ); vec3 H = normalize( L + vec3( 0.0, 0.0,1.0 ) ); const float specularExp = 128.0; // 计算散射光照 float NdotL = max( 0.0, dot( N, L ) ); vec4 diffuse = gl_Color * vec4( NdotL ); // 计算镜面光照 float NdotH = max( 0.0, dot( N, H ) ); vec4 specular = vec4( 0.0 ); if ( NdotL > 0.0 ) specular = vec4( pow( NdotH, specularExp ) ); // 求散射和镜面成分之和 gl_FrontColor = diffuse + specular; } 下面是渲染的效果图: 这种渲染模式并不是理想的,因为仅仅是简单的插值,在面数不多的几何体上光照非常难看,为此有两种解决方法。其一是使用辅助颜色(二级颜色,Secondary Color)将镜面反射颜色