OpenGL ES 光照模型之——漫反射光（RenderMonkey测试，地球日出效果）

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　　本文在上一篇（OpenGL ES 光照模型之——环境光照（RenderMonkey测试））环境光基础上，增加漫反射光照。我们主要使用漫反射光模拟太阳光，实现如下两种效果：

　　　　1、地球自传，太阳光固定的日出效果；

　　　　2、地球静止，太阳光围绕地球旋转的效果。

　　本文主要包括如下方面内容：

　　　　1、漫反射光模型简介；

　　　　2、地球自转日出效果Shader实现；

　　　　3、地球静止，太阳光围绕地球旋转Shader实现。

漫反射光照模型简介

　　漫反射光的定义网上有各种说法，在此就不描述了，下面通过两个图形来表示：

　　

　（平行光）

（“散”射光）

　　如上两个图中，有人把第一个图的平行光当做漫反射光，也有人把第二个图的模型当做慢反射光。是的，如果第二个图中光远点T无限远，那么两个光照模型的效果其实是一样的，但模型2更像是没有衰减系数的点光源。

　　模型公式如下：

　    

　　其中：

　　   IDifuse为漫反射光照强度；

　　   Id为光源颜色；

　　   Kd可以理解为漫反射光照输入强度；

　　   cosθ为光线与发现的夹角；

　　我们下面通过介绍的是使用第一种模型实现的效果。

地球自转日出效果Shader实现

　　本段内容我们先来看下利用RenderMonkey实现的OpenGL ES Shader日出模型的最终效果图，如下图所示：

（日出模型效果图）

　　OK，我们现在来具体看看如何使用RenderMonkey实现如上的效果。

　　我们在上一篇（OpenGL ES 光照模型之——环境光照（RenderMonkey测试））的基础上，在RenderMonkey工程中加入三个变量：gDiffStrength、time和angles。具体操作如下：

　　

　　其中：

　　gDiffStrength为模型公式中的Kd，是一个float类型的数据；

　　time和angles均为RenderMonkey与设置的float类型数据，且数据会在每一帧中会随时间从0至2π变化。

　　GPU的Vertex Shader代码实现如下：

//漫反射光照模型vertex shader示例代码 1.0 http://www.cnblogs.com/feng-sc/
uniform   mat4 matViewProjection;
attribute vec4 rm_Vertex;
attribute vec2 rm_TexCoord0;
attribute vec3 rm_Normal; //法线输入

varying   vec2 rm_Texcoord;
varying   vec3 fNormal;
uniform  float angles;

mat4 rotate(mat4 matrix, float a,vec3 v ) //矩阵旋转函数shader实现
{
   float c = cos(a);
   float s = sin(a);
   vec3 axis = normalize(v);
   vec3 temp = (1.0 - c) * axis;
   matrix[0][0]   =   c + temp[0] * axis[0];
   matrix[0][1]   =   temp[0] * axis[1] + s * axis[2];
   matrix[0][2]   =    temp[0] * axis[2] - s * axis[1];
   matrix[0][3]   =   0.0;

   matrix[1][0]   =    temp[1] * axis[0] - s * axis[2];
   matrix[1][1]   =   c + temp[1] * axis[1];
   matrix[1][2]   =  temp[1] * axis[2] + s * axis[0];
   matrix[1][3]   =   0.0;

   matrix[2][0]   =   temp[2] * axis[0] + s * axis[1];
   matrix[2][1]   =   temp[2] * axis[1] - s * axis[0];
   matrix[2][2]   =   c + temp[2] * axis[2];
   matrix[2][3]   =   0.0;

   matrix[3][0]   =   0.0;
   matrix[3][1]   =   0.0;
   matrix[3][2]   =   0.0;
   matrix[3][3]   =   1.0;
   return  matrix;
}
void main( void )
{
    mat4 maxtrixWorld = mat4(1.0);
    maxtrixWorld = rotate(maxtrixWorld,angles * 10.0 ,vec3(0.0,1.0,0.0)); //定义模型矩阵，并使其围绕y轴旋转
    gl_Position = (matViewProjection * maxtrixWorld * rm_Vertex);
    rm_Texcoord    = rm_TexCoord0.xy;
    fNormal = (maxtrixWorld * vec4(rm_Normal,1.0)).xyz; //法线输出，必须与定点一样，经过模型矩阵变化
}

　　GPU的Fragment Shader实现代码如下：

//漫反射光照模型fragment shader示例代码 1.0 http://www.cnblogs.com/feng-sc/
#ifdef GL_FRAGMENT_PRECISION_HIGH
   // Default precision
   precision highp float;
#else
   precision mediump float;
#endif
uniform sampler2D baseMap;
uniform vec4 gAnbientColor;
uniform float gAmbientStrength;
uniform float gDiffStrength;
uniform float time;
varying vec2 rm_Texcoord;
varying vec3 fNormal;

vec4 AmbientColor() //计算环境光
{
   return gAnbientColor * gAmbientStrength;
}

vec4 DiffuseColor() //计算漫反射光
{
   //float diffFactor = max(dot(normalize(fNormal),normalize(vec3(sin(time * 10.0),0.0,cos(time * 10.0))) - vec3(0,0,0)),0.0);
   float diffFactor = max(dot(normalize(fNormal),vec3(0.0,0.0,1.0)),0.0); //定义光照方向为vec3(0.0,0.0,1.0)，与法线求点积
   return gAnbientColor * diffFactor * gDiffStrength;
}

void main( void )
{
   vec4 color = texture2D(baseMap,rm_Texcoord);
   vec4 ambientcolor = AmbientColor();
   vec4 diffusecolor = DiffuseColor();
   gl_FragColor = color * (ambientcolor + diffusecolor); //最后输出颜色为环境光颜色和漫反射光颜色相加，在与文理颜色做乘法混合
    
}

　　编译如上两段shader代码后，RenderMonkey场景中最终可以得到我们刚开始是的显示效果图。

地球静止，太阳光围绕地球旋转Shader实现

　　同样，本段内容我们先来看下利用RenderMonkey实现的OpenGL ES Shader太阳围绕地球旋转的效果图：

（太阳围绕地球旋转的效果图）

 

　　GPU的Vertex Shader实现代码如下，与上一段落 （地球自转日出效果Shader实现）的Vertex Shader区别在于屏蔽掉了如下第8行地球自转的代码：

//漫反射光照模型，太阳围绕地球转 vertex shader示例代码 1.0 http://www.cnblogs.com/feng-sc/
……
……
……
void main( void )
{
    mat4 maxtrixWorld = mat4(1.0);
   // maxtrixWorld = rotate(maxtrixWorld,angles * 10.0 ,vec3(0.0,1.0,0.0)); //定义模型矩阵，并使其围绕y轴旋转
    gl_Position = (matViewProjection * maxtrixWorld * rm_Vertex);
    rm_Texcoord    = rm_TexCoord0.xy;
    fNormal = (maxtrixWorld * vec4(rm_Normal,1.0)).xyz; //法线输出，必须与定点一样，经过模型矩阵变化
}

 

　　GPU的Fragment Shader实现代码如下，与上一段落 （地球自转日出效果Shader实现）的Fragment Shader区别在于屏蔽掉了如下第8行漫反射光照代码，而增加第7行。

　　第7行中的vec3(sin(time * 10.0),0.0,cos(time * 10.0))，根据time计算光源方向，time的变化范围为0至2π，因此，让光源方向围绕xz平面旋转，得：

　　x = sin(time)

　　y = 0

　　z = cos(time)

　　注：代码中的time*10中10没有特别意义，只是让光源方向移动得更快。

//漫反射光照模型，太阳围绕地球转 fragment shader示例代码 1.0 http://www.cnblogs.com/feng-sc/
……
……
……
vec4 DiffuseColor() //计算漫反射光
{
   float diffFactor = max(dot(normalize(fNormal),normalize(vec3(sin(time * 10.0),0.0,cos(time * 10.0))) - vec3(0,0,0)),0.0);
   //float diffFactor = max(dot(normalize(fNormal),vec3(0.0,0.0,1.0)),0.0); //定义光照方向为vec3(0.0,0.0,1.0)，与法线求点积
   return gAnbientColor * diffFactor * gDiffStrength;
}

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