【本文参与征文活动】
Cocos Creator 2D 光照!
在2d中实现基础光照效果！
前言
本文主要讲的是最基础的光照模型(冯氏光照模型(Phong Lighting Model))，是一种光照的简化模型。请务必记住以下几个英文单词，对学习研究非常有帮助。
- 环境(
Ambient) - 漫反射(
Diffuse) - 镜面高光(
Specular)
希望我们能大概了解这些知识（但不限于这些）
- 向量（加法/点乘/叉乘）
- 着色器（顶点着色器/片元着色器）
- …
计算机图形学第一定律：如果它看起是对的，那么它就是对的
影响一个物体的外观颜色一般有以下几个因素：
- 物体表面的特质，即材质属性。（这次实现忽略材质，默认统一材质）
- 表面的方位与朝向，朝向常用单位法向量表示。（这次在2d中默认使用朝向屏幕
(0,0,1)作为所有法向量） - 照射光的各光源性质。（这次简化为只有光源位置）
- 观察者位置。（这次使用相机的位置）
实现
标准光照公式可以简写成
光 = 环境光 + 漫反射 + 高光
现在逐一去实现。
环境光
环境光(Ambient)是标准光照模型中最简单的一部分，可以理解为光照模型中的常数项。
环境光的颜色并不会随着物体的位置，光的位置，视角的位置而改变。
<环境光> = <全局环境光颜色>x<材质颜色>
材质色这里采用图片的纹理颜色，环境光的主要代码如下：
vec3 ambient = ambientLight.rgb * lightColor.rgb;
o.rgb = amibent * o.rgb;
在只有环境光的情况下，对于不同的全局光的系数，物体的亮度也不一样。
漫反射
漫反射(Diffuse)是基础光照模型的第二剑客，它不再是个常量。
漫反射的效果会随着物体与光线的夹角变化而变化。
<漫反射> = <入射光颜色>x<材质颜色>x<光与物体法向量的夹角>
主要代码如下：
vec3 norm = normalize(v_normal); // 法向量
vec3 lightDir = normalize(lightPos.xyz - v_pos); // 光的方向
// diffuse
float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0); // 夹角
vec3 diffuse = diff * lightColor.rgb;
o.rgb = (amibent + diffuse) * o.rgb; // 环境光+漫反射光
可以看到光在不同的位置下，物体的亮度不同。
镜面高光
镜面高光(Specular)是基础光照模型的最后一道工序，不仅受物体夹角影响，还受观察点的影响。
<镜面高光> = <入射光颜色>x<材质颜色>x<观察向量与入射向量和法向量的某种指数关系>
这里有两种模型去实现镜面高光
-
phong模型（用反射向量计算） -
bliinn模型（用半向量计算）
主要核心代码如下。
// phong-specular
// vec3 viewDir = normalize(viewPos - v_pos); // 视角向量
// vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm); // 反射向量
// float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), shininess); // 夹角的指数关系
// vec3 specular = spec * lightColor.rgb; // 乘入射光颜色
// blint-phong
vec3 viewDir = normalize(viewPos - v_pos); // 视角向量
vec3 halfwayDir = normalize(lightDir + viewDir); // 半向量
float spec = pow(max(dot(norm, halfwayDir), 0.0), shininess); // 夹角的指数关系
vec3 specular = lightColor.rgb * spec; // 乘入射光颜色
o.rgb = (ambient + diffuse + specular) * o.rgb; // 混合环境光 漫反射 高光反射
运行后的结果如下，可以看到有一个小光点，就是高光反射。
小结
Cocos Creator 2d 光照！Blinn-Phong ! Ambient ! Diffuse ! Specular !
基础光照模型可分为三项去考虑
- 环境(
Ambient) [常数，全局环境光] - 漫反射(
Diffuse) [入射角与法向量] - 镜面高光(
Specular) [入射角，观察点，指数]
以上为白玉无冰使用 Cocos Creator v2.4 实现 "基础光照 Blinn-Phong" 的技术分享。欢迎分享给身边的朋友！
当然，这只是一种简单的光照模型，进一步探讨的话还有：
- 法线矩阵
- 平行光/点光/聚光
- 基于物理的渲染(
Physically Based Rendering)[PBR] - 双向反射分布函数(
Bidirectional Reflective Distribution Function)[BRDF] - 光线追踪
- …
更多的拓展见参考资料。
参考
- 《Fundamentals of Computer Graphics》
- 《WebGL编程指南》
- 《3D数学基础：图形与游戏开发》
- 《光线跟踪算法技术》
- 《Unity Shader入门精要》
- https://learnopengl.com/
更多
2020 原创精选! shader | 挖洞 | 流体 | 3D | 绳子纹理 | 四叉树 | 数学 样样都有！
