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在我们经常玩的游戏中呢，可以找到光照的效果，但是无论哪个游戏引擎，它都是在模拟光照，这就需要我们进行关照的计算。游戏引擎也不可能创建真实的光照，也是在模拟光照。

一、光照类型

• 环境光照(ambient)

就是模拟自然光。比如正常白天的时候，物体是都可以反光的，同样的，在夜晚或者在黑暗的环境下，物体也不可能是完全看不到的轮廓的，因为自然光现实情况中都是存在的，所以说所有的物体不可能完全的黑暗，这个存在的光就是环境光照。

一般情况下，环境光照最多的场景可能就是太阳，照射到物体表面，发生折射，物体变得可见。

环境光照是没有起点的，不可能像手电筒一样，直接就能随意控制的打开关闭，想打光到哪里就打光到哪里。

• 漫反射光照(diffuse)

漫反射光照模拟的是发光物体对其他物体方向的影响。比如一个物体有一面是面向光照的，那么这个面就会亮一些，看的清楚一些，而他的侧面或者背面是没有被光照射的，那么他就会比较暗一点。

• 镜面光照(specular)

镜面光照是相对平滑的表面被光照射，物体的表面会出现一个聚焦的亮点，这个亮点的亮度会比周边明显，比如你晚上打手电筒的时候，照射在一个玻璃上，就是这种效果。

• 综合光照(combined(Phong))

综合光照是综合了上面三个常见的光照类型的光，它们的效果会combined，显示的会比较真实一点。

一般情况下，光照不会出自单一的光源，所以综合光照可能会更普遍一些。

二、光照特性

一个物体表面产生的光照颜色不仅仅是由光照单独决定的，还会由它的材质等因素决定。

• 发射光

由物体本身发光，这就是发射光，比如太阳。

• 环境光

环境光是充斥在环境中的散射的光，是没有方向性的。比如你的房间里面，你知道房间是有光的，但是这个光从哪里来的，这是无法确认的。

• 漫反射光

漫反射光是来自于某个方向，打到了物体上，经过了物体的各个方向的反射，把物体显示了出来。

• 镜面高光

镜面高光是有一个特定的方向的，光会由特定的方向照射到光滑物体表面，然后会被物体表面以一个特定的方向反射出去。

三、材质属性

还是那个道理，光不是自己就决定了物体显示的颜色的，是和物体的材质相关的。

物体呈现出来的颜色是由光和材质共同决定的。

• 泛射材质

泛射材质的物体，当光直射过去的时候，它的反射率是很高的。

• 漫反射材质

漫反射材质的计算要考虑到光的入射角和反射角，需要计算它的夹角。

• 镜面反射材质

会有一些斑斑点点的感觉，比如一些光晕。

• 发射材质

就是这个物体的材质本身就有光，比如一个夜明珠。

四、光照计算

1. 环境光的计算

环境光 = 光源的环境光颜色 * 物体的材质的颜色

物体材质的颜色在OpenGL中可以通过texture2D获取物体对应的纹素来获取。

环境光的计算举例(包含亮度参数，或者说阴影参数)：

设 :

物体的材质的颜色 : Pixel_Color = ，
光源的环境光颜色 : Light_Color = ，
亮度(阴影) : A = Ambient intensity
最终物体显示的颜色 : Final_Pixel_Color

Final_Pixel_Color = Light_Color * Pixel_Color * A

2. 发射光的计算

发射光颜色 = 物体的反射材质颜色

3. 漫反射光照计算

漫反射光照颜色 = 光源的漫反射颜色 * 物体材质的漫反射颜色 * diffuseFactor
diffuseFactor = max(0,dot(N,L))
取得是0到N和L点乘的最大值，diffuseFactor被称作漫反射因子，它的值是光线与顶点法线向量的点积，也就是求角度。
光线是要自己设置的，光从哪里来要看需求。
点的法线向量是可以算的。

漫反射光照可以增加物体显示的真实度。

漫反射光照的光照强度是光本身强度和光线与物体表面法线的夹角cos值的乘积决定的。

有效的光照方向是光线与物体表面法线夹角在0~90度之间的。因为你的光不可能从地面照射出来。

漫反射的简单示意图如图4.1所示：

4.1.png

4. 镜面光照计算

镜面光照颜色 = 光源的镜面光颜色 * 物体的镜面材质颜色 * SpecularFactor
SpecularFactor = power(max(0,dot(N,H)),shiniess)
N : 平面法线向量
H : 视线向量E和光线向量L的半向量
dot(N,H) : 两个向量夹角的cos值
shiniess : 光的反光度。自己来设置的。
power函数 : 返回的是第一个参数的第二个参数次幂。

如下图4.2所示：

4.2.png

N : 平面法线

L : 入射光线

H : 反射光线

E : 视线

∂ : 视点与反射光线的夹角

5. 光照颜色计算

光照颜色 = (环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜面反射颜色) * 衰减因子

这里没有发射光颜色是因为没有那么多的物体可以自己发光。

五、影响光照的因素

光照不是计算出来就可以的，毕竟这是模拟光源，要想显得真实，就需要做很多的工作，计算机在模拟光照的时候需要设置一些常用的影响因素，比如下列：

1. 衰减因子

光是会衰减的，不是照射过来就一成不变的，所以颜色最后要乘以衰减因子，才是到达或者说我们看到的颜色。

衰减因子的计算：

注释：

衰减因子 = 1.0 / (距离衰减常量 + 线性衰减常量 * 距离 + 二次衰减常量 * 距离的平方)

其中，距离衰减常量、线性衰减常量、二次衰减常量都是常量值，这都是我们要自己设置的。

环境光、漫反射光、镜面光的光照强度都会随着距离的增加而衰减，只有发射光和全局常量光的强度不受距离增大而衰减的限制。

2. 聚光灯因子

想计算聚光灯因子，就要先计算聚光灯夹角的cos值。

聚光灯夹角cos值 = power( max(0, dot(单位光源位置，单位光源向量) ), 聚光灯指数)

单位光源向量 ：光源指向顶点的单位向量。

聚光灯指数 : 聚光灯的光亮强度

所以聚光灯夹角的cos值是：0到单位光源位置与单位光源向量的点积的最大值的聚光灯指数次幂。

有聚光灯过渡的图形会有一层薄雾感，显得更贴近现实。

聚光灯因子的计算

聚光灯因子 = clamp( (外环的聚光灯角度cos值 - 当前顶点的聚光灯角度的cos值) / (外环的聚光灯角度cos值 - 内环的聚光灯角度cos值), 0 ,1 );

六、光照的最终计算公式

光照颜色 = 发射颜色 + 全局环境颜色 + (环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜面反射颜色) * 聚光灯效果 * 衰减因子;