下面来看一下光照
先来看一下光源的类型
光源大体可分为 Directional light (平行光),Point light (点光源),Ambient light (环境光) 3 种。
Directional light
平行光的光线是平行的,像太阳光就是平行光。平行光可用光线的方向和颜色来描述。
Point light
点光源从一个点向各个方向发出光线,像电灯泡就是点光源。点光源用它的位置和颜色描述,点光源的方向跟照射到物体的位置有关,而平行光只有一个方向。现实世界中光线是会衰弱的,离光源越近光线越强,这里为了简单不考虑光线的衰弱。
Ambient light
环境光是被其它物体反射的光,环境光从各个方向照射到物体。环境光没有方向,只用光的颜色就可以描述。
Diffuse Reflection (漫反射)
漫反射是点光源或平行光照射到物体上,然后光线向各个方向进行散射。
Diffuse Reflection 的光照效果可用下面的公式计算
<surface color by diffuse reflection> = <light color> × <base color of surface> × cosθ
即 <漫反射效果> = <光源颜色> × <物体表面颜色> × cosθ
注意这里是叉乘,向量的叉乘还是向量
Ambient Reflection (环境反射)
环境反射中光线从各个方向射向物体然后再原路返回。
Ambient Reflection 的光照效果可用下面的公式计算
<surface color by ambient reflection> = <light color> × <base color of surface>
即 <环境反射效果> = <光源颜色> × <物体表面颜色>
漫反射和环境反射叠加在一起可用下面的公式计算
<漫反射 + 环境反射> = <漫反射效果> + <环境反射效果>
漫反射公式中的 θ 不大好计算,但物体表面的 Normal (法向量) 是已知的,通过法向量和光线方向可以很容易的计算出 cosθ
如上图 <Normal> * <Light Direction> = |<Normal>| * |Light Direction| * cosθ
所以 cosθ = (<Normal> * <Light Direction>) / (|<Normal>| * |Light Direction|)
当把法向量和光线方向正规化(把长度变为 1 ) 之后
cosθ = <Normalized Normal> * <Normalized Light Direction>
注意这里是点乘,向量的点乘得到的是一个数字。
向量的点乘得到的是一个数,向量的叉乘得到的是向量。点乘和叉乘一定要搞清楚,不清楚的多查查资料。
一个面有 2 个方向相反的法向量,正方向根据顶点环绕方向根据右手定则判定。
右手四指绕顶点顺序环绕,大拇指的方向就是法向量的正方向
cosθ 计算出来以后漫反射就很好计算了,还是用上一节的正方体作为例子。
每个面添加法向量信息
var vertices = new Float32Array([
1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, // v0-v1-v2-v3 front
1.0, 1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, // v0-v3-v4-v5 right
1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0, // v0-v5-v6-v1 up
-1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, 1.0, // v1-v6-v7-v2 left
-1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, // v7-v4-v3-v2 down
1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0 // v4-v7-v6-v5 back
]);
var colors = new Float32Array([ // Colors
1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, // v0-v1-v2-v3 front
1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, // v0-v3-v4-v5 right
1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, // v0-v5-v6-v1 up
1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, // v1-v6-v7-v2 left
1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, // v7-v4-v3-v2 down
1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0 // v4-v7-v6-v5 back
]);
var normals = new Float32Array([ // Normal
0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, // v0-v1-v2-v3 front
1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, // v0-v3-v4-v5 right
0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, // v0-v5-v6-v1 up
-1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, // v1-v6-v7-v2 left
0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, // v7-v4-v3-v2 down
0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0 // v4-v7-v6-v5 back
]);
<script id="vertex-shader" type="glsl">
attribute vec4 a_Position;
attribute vec4 a_Color;
attribute vec3 a_Normal;
uniform vec3 u_LightColor;
uniform vec3 u_LightDirection;
uniform mat4 u_mvpMatrix;
varying vec4 v_Color;
void main() {
gl_Position = u_mvpMatrix * a_Position;
// 标准化(把长度变为 1 )
vec3 normal = normalize(a_Normal);
// 如果角度大于 90 度 说明物体表面背对光线将 cosθ 设为 0
float nDotL = max(dot(u_LightDirection, normal), 0.0);
vec3 diffuse = u_LightColor * a_Color.rgb * nDotL;
v_Color = vec4(diffuse, a_Color.a);
}
</script>
normalize 内置函数,标准化一个向量(长度变为 1)
dot 内置函数,计算向量的点乘
// 设置光源颜色
gl.uniform3f(u_LightColor, 1.0, 1.0, 1.0);
// 设置光源方向
var lightDirection = new Vector3([0.5, 3.0, 4.0]);
lightDirection.normalize(); // 标准化(长度变为 1)
gl.uniform3fv(u_LightDirection, lightDirection.elements);
完整代码
<script id="vertex-shader" type="glsl">
attribute vec4 a_Position;
attribute vec4 a_Color;
attribute vec3 a_Normal;
uniform vec3 u_LightColor;
uniform vec3 u_LightDirection;
uniform mat4 u_mvpMatrix;
varying vec4 v_Color;
void main() {
gl_Position = u_mvpMatrix * a_Position;
// 标准化(把长度变为 1 )
vec3 normal = normalize(a_Normal);
float nDotL = max(dot(u_LightDirection, normal), 0.0);
vec3 diffuse = u_LightColor * a_Color.rgb * nDotL;
v_Color = vec4(diffuse, a_Color.a);
}
</script>
<script id="fragment-shader" type="glsl">
precision mediump float;
varying vec4 v_Color;
void main() {
gl_FragColor = v_Color;
}
</script>
<script src="lib/cuon-matrix.js"></script>
<script src="lib/myutils.js"></script>
<script>
var VERTEX_SHADER_SOURCE = document.getElementById('vertex-shader').text;
var FRAGMENT_SHADER_SOURCE = document.getElementById('fragment-shader').text;
var canvas = document.getElementById("canvas");
var gl = canvas.getContext('webgl');
if (!initShaders(gl, VERTEX_SHADER_SOURCE, FRAGMENT_SHADER_SOURCE)) {
alert('Failed to init shaders');
}
var n = initVertexBuffers(gl);
var u_mvpMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_mvpMatrix');
var u_LightColor = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_LightColor');
var u_LightDirection = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_LightDirection');
// 设置光源颜色
gl.uniform3f(u_LightColor, 1.0, 1.0, 1.0);
// 设置光源方向
var lightDirection = new Vector3([0.5, 3.0, 4.0]);
lightDirection.normalize(); // 标准化(长度变为 1)
gl.uniform3fv(u_LightDirection, lightDirection.elements);
// <projection matrix> * <view matrix>
var mvpMatrix = new Matrix4();
mvpMatrix.setPerspective(30, 1, 1, 100);
mvpMatrix.lookAt(3, 3, 7, 0, 0, 0, 0, 1, 0);
gl.uniformMatrix4fv(u_mvpMatrix, false, mvpMatrix.elements);
gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
gl.drawElements(gl.TRIANGLES, n, gl.UNSIGNED_BYTE, 0);
function initVertexBuffers(gl) {
// Create a cube
// v6----- v5
// /| /|
// v1------v0|
// | | | |
// | |v7---|-|v4
// |/ |/
// v2------v3
var vertices = new Float32Array([
1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, // v0-v1-v2-v3 front
1.0, 1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0, // v0-v3-v4-v5 right
1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, 1.0, // v0-v5-v6-v1 up
-1.0, 1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, 1.0, // v1-v6-v7-v2 left
-1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0, // v7-v4-v3-v2 down
1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.0, -1.0 // v4-v7-v6-v5 back
]);
var colors = new Float32Array([ // Colors
1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, // v0-v1-v2-v3 front
1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, // v0-v3-v4-v5 right
1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, // v0-v5-v6-v1 up
1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, // v1-v6-v7-v2 left
1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, // v7-v4-v3-v2 down
1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0 // v4-v7-v6-v5 back
]);
var normals = new Float32Array([ // Normal
0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, // v0-v1-v2-v3 front
1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, // v0-v3-v4-v5 right
0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, // v0-v5-v6-v1 up
-1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, // v1-v6-v7-v2 left
0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, // v7-v4-v3-v2 down
0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0, 0.0, 0.0, -1.0 // v4-v7-v6-v5 back
]);
var indices = new Uint8Array([ // Indices of the vertices
0, 1, 2, 0, 2, 3, // front
4, 5, 6, 4, 6, 7, // right
8, 9, 10, 8, 10, 11, // up
12, 13, 14, 12, 14, 15, // left
16, 17, 18, 16, 18, 19, // down
20, 21, 22, 20, 22, 23 // back
]);
if (!initArrayBuffer(gl, vertices, 3, gl.FLOAT, 'a_Position')) {
return -1;
}
if (!initArrayBuffer(gl, colors, 3, gl.FLOAT, 'a_Color')) {
return -1;
}
if (!initArrayBuffer(gl, normals, 3, gl.FLOAT, 'a_Normal')) {
return -1;
}
var indexBuffer = gl.createBuffer();
if (!indexBuffer) {
console.log('Failed to create index buffer');
return -1;
}
gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);
gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices, gl.STATIC_DRAW);
return indices.length;
}
function initArrayBuffer(gl, data, numOfComponents, dataType, attributeName) {
var buffer = gl.createBuffer();
if (!buffer) {
console.log('Failed to create buffer object');
return false;
}
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, buffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, data, gl.STATIC_DRAW);
var attribute = gl.getAttribLocation(gl.program, attributeName);
gl.vertexAttribPointer(attribute, numOfComponents, dataType, false, 0, 0);
gl.enableVertexAttribArray(attribute);
return true;
}
</script>