基础光照模型! Cocos Creator 2D 光照!

Posted by lamyoung on November 11, 2020

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/

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