OpenGL光照学习以及OpenGL4环境

2018-04-27 17:22:10 浏览数 (1)

前言

最近稍有空闲，整理下之前学习光照的笔记，以及在配置OpenGL4环境过程中遇到的问题。

光照

1、模拟灯光

模拟灯光：通过GPU来计算场景中的几何图形投射和散发出来的光线。 本质是GPU对每个三角形的顶点单独计算灯光，然后把结果再顶点之间的片元中进行插值。 故而当要求一个更真实、更光滑的灯光时，需要增加大量的三角形，从而加大计算量。 在上述这种情况，可以把灯光效果预处理并烘焙到纹理中。（就是形成一个纹理）

2、光照计算

光源=环境光 漫反射光 镜面反射光。 在计算光照的过程中，需要注意三角形的材质、三角形的法线、光源的光线； 法向量也是单位向量。 标准化：把向量的长度化为1.0。

3、GLK和光照

与光照相关的GLKBaseEffect属性：

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@property (nonatomic, assign) GLKVector4   position;                                                       // { 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 }
@property (nonatomic, assign) GLKVector4   ambientColor;                                                   // { 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 }
@property (nonatomic, assign) GLKVector4   diffuseColor;                                                   // { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }
@property (nonatomic, assign) GLKVector4   specularColor;                                                  // { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }

在开启灯光后，GLKBaseEffect的常量颜色以及顶点的颜色都会被忽略。 即使设置成灯光关闭，enabled = GL_FALSE ，constantColor仍会被忽略。

求三角形ABC法向量：给出三角形ABC三个顶点的坐标后，通过GLKVector3Subtract可以算出两个向量AB, AC； 通过GLKVector3CrossProduct 求出AB和AC的叉积，并单元化GLKVector3Normalize。

4、光照模型

我们在现实生活中看到某一物体的颜色并不是这个物体的真实颜色，而是它所反射(Reflected)的颜色。换句话说，那些不能被物体吸收(Absorb)的颜色(被反射的颜色)就是我们能够感知到的物体的颜色。 这里可以通过vec*vec的方式来计算；

注意三种乘法

  • vec * vec 分量乘 (x1 * x2, y1 * y2, z1 * z2) 向量
  • vec · vec 点乘 x1*x2 y1*y2 z1*z2，标量
  • vec X vec 叉乘 (y1 * z2 - z1 * y2 , z1 * x2 - x1 * z2 , x1 * y2 - y1 * x2) 向量

冯氏光照模型(Phong Lighting Model)，由3个元素组成：环境光(Ambient)、漫反射光(Diffuse)和镜面光(Specular) ；

高洛德着色（Gouraud Shading）与冯氏着色（Phong Shading） 在图形渲染中有两种着色方式，高洛德着色与冯氏着色。高洛德着色也被称为Per-Vertex着色，它是在顶点着色阶段对顶点进行颜色计算，然后在光栅化阶段对这些顶点颜色进行线性插值形成片元的颜色；冯氏着色也被称为Per-Pixel像素着色，它是在片元着色阶段对每一个片元（像素）进行颜色计算。

逆矩阵(Inverse Matrix)和转置矩阵(Transpose Matrix) 无论何时当我们提交一个不等比缩放(注意：等比缩放不会破坏法线，因为法线的方向没被改变，而法线的长度很容易通过标准化进行修复)，法向量就不会再垂直于它们的表面了，这样光照会被扭曲。 修复这个行为的诀窍是使用另一个为法向量专门定制的模型矩阵。这个矩阵称之为正规矩阵(Normal Matrix)，它是进行了一点线性代数操作移除了对法向量的错误缩放效果。如果你想知道这个矩阵是如何计算出来的。 正规矩阵被定义为“模型矩阵左上角的逆矩阵的转置矩阵”。

这一段来源是learnopengl

对于着色器来说，逆矩阵也是一种开销比较大的操作，因此，无论何时，在着色器中只要可能就应该尽量避免逆操作，因为它们必须为你场景中的每个顶点进行这样的处理。以学习的目的这样做很好，但是对于一个对于效率有要求的应用来说，在绘制之前，你最好用CPU计算出正规矩阵，然后通过uniform把值传递给着色器(和模型矩阵一样)。

备注：GLK相关的函数如下

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GLKMatrix4 GLKMatrix4InvertAndTranspose(GLKMatrix4 matrix, bool * __nullable isInvertible);

光照总结

光照计算的终极公式 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****

终极公式来源

OpenGL4环境搭建

learnopengl-cn上有很多不错的demo，但是在mac运行过程中遇到了各种坑，总结如下。

1、GLFW

如果没有 GLFW，Xcode 创建的项目只能运行 OpenGL 2.1 的版本，而无法使用系统支持的 4.x 版本。 解决方案 环境配置

2、CMake

CMake安装

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sudo "/Applications/CMake.app/Contents/bin/cmake-gui" --install=/usr/local/bin

El Capitan 引入Rootless机制，即使加sudo（也就是具有root权限）也无法修改系统级的目录，其中就包括了/usr/bin。 解决方案：

  • 1、更改Rootless机制 关
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csrutil disable

开

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csrutil enable
  • 2、将链接到/usr/bin，改成链接到/usr/local/bin。
3、SOIL

SOIL即Simple OpenGL Image Library，是一个跨平台的支持多个格式图片加载的库，主要作用是加载图片成为OpenGL的texture。 引入过程中一样带有很多坑，解决方案如下： 解决方案

修改图片中的标志，m64改为x86_64

4、glm

glm库是一个C 头文件形式的几何数学库,用于GLSL规范下的图形绘制。 靠谱的解决方案

注意，glm只有头文件。

5、OSX

如果你使用的是Mac OSX系统你还需要加下面这行代码这些配置才能起作用：

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glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);

最后成果

总结

已经配置完成的demo在github，里面OpenGL开头的工程。 最近项目新上了一个手绘礼物的功能，本来打算用OpenGL ES来绘制，后面发现有点大材小用。 下次再单独开一篇介绍下这个有趣的功能。

opengl

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