Lighting 打光公式白話與WebGL shader code

2016-04-11

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webgl
2020-07-29

WebGL lighting ambient diffuse specular color 白話 shader code

Ambient color

環境光顏色，基本的亮度。

highp vec3 ambientLight = vec3(0.8, 0.8, 0.8);

Diffuse color

擴散光顏色，強度為頂點的法線向量與光的方向的夾角，夾角越小強度越強，90度時強度為0，0度時強度為1最大值。

公式=Kd * dot(N,L)

PS:N法向量，L光源方向(依據頂點為起始，光源為終點的向量)，Kd為diffuse color的係數

highp float directional = max(dot(normal, lightDirection),
0.0);

Specular color

反射光顏色，強度為頂點上的反射光與頂點到眼睛的向量夾角，夾角越小強度越強，90度時強度為0，0度時強度為1最大值。

公式=Ks * dot(R,V)^ns

PS: R = reflect(-L,N)

PS:N法向量，L光源方向，R反射光，V為眼睛的位置，ns為specular-reflection coefficient，Ks為specular color的係數

// 定義鏡面高光點光源顏色
highp vec3 uPointLightingSpecularColor = vec3(0.8, 0.8, 0.75);
// 定義物體表面光澤度指數
float uMaterialShininess = 32.0;

// 獲取觀察點接收光線的方向向量，注意將向量歸一化
vec3 eyeDirection = normalize(-vMVVertexPosition.xyz);
// 根據光照方向和法線方向計算鏡面反射光的方向向量
vec3 reflectionDirection = reflect(-lightDirection, normal);
// 計算鏡面反射光與觀察點的夾角
float specularLightDirectional = max(dot(reflectionDirection,
eyeDirection),
0.0);
// 計算鏡面反射光影響係數
float specularLightWeighting = pow(specularLightDirectional,
uMaterialShininess);

總和光的公式

// 環境光 + 擴散光 + 反射光 = 光照係數
vec3 vLighting = ambientLight +
(uPointLightingColor * directional) +
(uPointLightingSpecularColor * specularLightWeighting);

// 首先計算出物體紋理的顏色
vec4 texelColor = texture2D(uSampler, vec2(vTextureCoord.s,
vTextureCoord.t));
// 讓紋理顏色與環境光相乘
gl_FragColor = vec4(texelColor.rgb*vLighting,
texelColor.a);

光線越強，飽和度越低

光線越暗，飽和度越高

Fresnel

Complete WebGL shader code(WebGL 專業級3D引擎降臨使用瀏覽器語言開發 chapter10)：

<script id="shader-vs-specular" type="x-shader/x-vertex">
/* 定義attribute變數 */
attribute highp vec3 aVertexNormal; // 法線座標
attribute vec3 aVertexPosition; // 定義一個3維浮點向量，用於頂點
attribute vec2 aTextureCoord; // 定義一個2維浮點向量，用於紋理座標

/* 定義uniform變數，通常就是傳進來的一個常量 */
uniform highp mat4 uNormalMatrix;   // 用於法線轉換的逆轉置矩陣
uniform mat4 uMVMatrix;               // 定義一個變數用於轉換矩陣
uniform mat4 uPMatrix;                // 定義一個變數用於投影矩陣

/* 定義varying變數向片元著色器傳值 */
varying highp vec2 vTextureCoord; // 紋理座標
varying highp vec4 vMVVertexPosition; // 應用轉換後的頂點座標
varying highp vec4 vTransformedNormal; // 轉換後的法線向量
void main(){
// 將紋理座標的值賦給varying變數
vTextureCoord = aTextureCoord;
// 計算物體變換後的位置
vMVVertexPosition = uMVMatrix * vec4(aVertexPosition, 1.0);
// 指定頂點座標
gl_Position = uPMatrix * vMVVertexPosition;
// 轉換法線
vTransformedNormal = uNormalMatrix * vec4(aVertexNormal, 1.0);
}
</script>

<script id="shader-fs-specular" type="x-shader/x-fragment">
precision highp float; // 聲明float類型為高精度
uniform sampler2D uSampler; // 定義一個變數作為2D紋理採樣器

/* 定義varying變數從頂點著色器接收值 */
varying highp vec2 vTextureCoord; // 紋理座標
varying highp vec4 vMVVertexPosition; // 應用轉換後的頂點座標
varying highp vec4 vTransformedNormal; // 轉換後的法線向量
void main(){
/* 下面計算光照效果 */

// 環境光顏色
highp vec3 ambientLight = vec3(0.8, 0.8, 0.8);
// 點光源顏色
highp vec3 uPointLightingColor = vec3(0.5, 0.5, 0.75);
// 點光源座標
highp vec3 uPointLightingLocation = vec3(1.0, 1.0, 0.75);

// 計算光線方向向量
vec3 lightDirection = normalize(uPointLightingLocation -
vMVVertexPosition.xyz);

// 將片元的法線向量歸一化
// 頂點法線在經過線線性插值之後，法線的長度會改變，所以我們必須進行歸一化處理
vec3 normal = normalize(vTransformedNormal.xyz);

// 計算光照強度
highp float directional = max(dot(normal, lightDirection),
0.0);

// 定義鏡面高光點光源顏色
highp vec3 uPointLightingSpecularColor = vec3(0.8, 0.8, 0.75);
// 定義物體表面光澤度指數
float uMaterialShininess = 32.0;

// 環境光 + 平行光 + 鏡面反射光 = 光照係數
vec3 vLighting = ambientLight +
(uPointLightingColor * directional) +
(uPointLightingSpecularColor * specularLightWeighting);

Reference:

Computer Graphics with OpeGL 3rd

WebGL 專業級3D引擎降臨使用瀏覽器語言開發

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