游戏开发-图形渲染与动画-Shaders编写与优化_光照模型与Shaders实现.docx

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光照模型基础

1光照模型的种类

光照模型在计算机图形学中扮演着至关重要的角色，它们负责模拟光线与物体表面的交互，从而为3D场景带来真实感。光照模型主要分为两大类：局部光照模型和全局光照模型。

1.1局部光照模型

局部光照模型只考虑光源直接照射到物体表面的效果，不包括光线在场景中多次反弹产生的间接光照。这类模型简单且计算效率高，适用于实时渲染场景。其中，Phong光照模型是最为常见的局部光照模型之一，它由环境光、漫反射光和镜面反射光三部分组成。

1.1.1环境光

环境光模拟的是场景中普遍存在的光线，它均匀地照亮所有物体，不考虑光源位置。环境光的计算公式为：

[I_{ambient}=k_{ambient}I_{light}]

其中，(k_{ambient})是环境光系数，(I_{light})是光源的强度。

1.1.2漫反射光

漫反射光描述的是光线照射到物体表面后，以各个方向均匀散射的现象。计算公式为：

[I_{diffuse}=k_{diffuse}I_{light}()]

其中，(k_{diffuse})是漫反射系数，()是光线与表面法线之间的夹角。

1.1.3镜面反射光

镜面反射光模拟的是光线在光滑表面的反射，计算公式为：

[I_{specular}=k_{specular}I_{light}()^n]

其中，(k_{specular})是镜面反射系数，()是视线与反射光线之间的夹角，(n)是高光指数，决定了反射光的集中程度。

1.2全局光照模型

全局光照模型考虑了光线在场景中的多次反弹，能够更真实地模拟光照效果，但计算复杂度高，通常用于非实时渲染，如电影制作。路径追踪和光线追踪是全局光照模型的两种主要实现方式。

2光照计算的基本原理

光照计算的基本原理是通过物理模型来模拟光线与物体表面的交互。在局部光照模型中，我们主要关注光源直接照射到物体表面的效果，而全局光照模型则进一步考虑了光线的多次反弹。

2.1Phong光照模型的Shaders实现

在OpenGL中，我们可以使用着色器（Shaders）来实现Phong光照模型。下面是一个简单的Phong光照模型的顶点着色器和片段着色器的示例。

2.1.1顶点着色器

#version330core

layout(location=0)invec3aPos;

layout(location=1)invec3aNormal;

outvec3Normal;

outvec3FragPos;

outvec3LightPos;

uniformvec3lightPos;

uniformmat4model;

uniformmat4view;

uniformmat4projection;

voidmain()

{

gl_Position=projection*view*model*vec4(aPos,1.0);

FragPos=vec3(model*vec4(aPos,1.0));

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

LightPos=vec3(view*vec4(lightPos,1.0));

}

2.1.2片段着色器

#version330core

invec3Normal;

invec3FragPos;

invec3LightPos;

outvec4FragColor;

uniformvec3lightColor;

uniformvec3objectColor;

uniformvec3viewPos;

voidmain()

{

vec3norm=normalize(Normal);

vec3lightDir=normalize(LightPos-FragPos);

vec3viewDir=normalize(viewPos-FragPos);

vec3reflectDir=reflect(-lightDir,norm);

//环境光

floatambientStrength=0.1;

vec3ambient=ambientStrength*lightColor;

//漫反射光

floatdiff=max(dot(norm,lightDir),0.0);

vec3