[WebGL入门]二十五，点光源的光照
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时间：2015年06月09日
注：文章译自http://wgld.org/，原作者杉本雅広(doxas)，文章中如果有我的额外说明，我会加上［lufy：］，另外，鄙人webgl研究还不够深入，一些专业词语，如果翻译有误，欢迎大家指正。
点光源
上次介绍了高氏着色和补色着色。使用补色着色的手法，可以渲染更加自然的阴影，3D效果更加真实。但是会有计算量比较大的缺点。这个只能case by case，根据不同的情况来处理了，是个挺烦人的地方。
那么，这次，还是讲光源。我貌似听到了“不会吧......”此类的声音了......
这次的话题是点光源的封装。点光源就像它的名字一样，和顶点一样，光源就是一个点。
到目前为止，所有的光源处理都是使用了平行光源，平行光源可以看作是从无限远的地方发出的方向固定的光的光源，三维空间中的所有的模型都受到同样方向的光的照射。而点光源的处理，光源的位置在三维空间中是固定的，三维空间中的模型根据它所在的位置，受到不同方向的光照。
现实世界中类似电光源的有灯泡等。但是，实际上灯泡的光是会变弱的，距离越远光的强度就越弱。而这次封装的电光源的处理并没有考虑光的减弱，无论对象距离光源有多元，都受到同样的强度的光的影响，所以，并不是完全模拟现实世界中的电光源。
电光源的考虑方法
电光源的封装其实也并不难。平行光源的时候是光向量，就是说光的方向是固定的。点光源的时候，光源的位置是确定的，需要算出从光源到顶点的向量作为光向量，用这个光向量来计算阴影。
因为必须计算出光源到顶点的向量，所以比平行光源的计算量要大，但是解决了光向量的计算之后，就可以沿用之前平行光源的计算，所以也不会太难。
顶点着色器的修改
这次和上次一样，使用补色着色来进行着色，虽然大部分修改都是在片段着色器中进行的，但是顶点着色器中也有少许修改。点光源的处理，就想刚才说的那样，需要计算光源到顶点的向量，而要计算光向量的话，那就必然需要顶点的位置情报了。
要将顶点着色器中的位置情报传给片段着色器，那肯定需要新的varying变量了，但是只传顶点的位置情报的话，还有一些问题。
顶点的位置情报通常以局部坐标的形式传给顶点着色器，所以如果用模型坐标变换对模型进行了移动或者旋转，顶点的位置就会发生变化了，就是说，即使局域坐标是(1.0, 1.0, 1.0)的顶点经过移动，旋转等变换，坐标可能会变成(例 0.5, 2.0, 5.5 )等等。
从点光源发出的光的光向量，必须要考虑模型坐标变换后的顶点的位置。所以，必须向顶点着色器中传入新的模型坐标变换矩阵，那么来修改一下顶点着色器的代码吧。
>顶点着色器代码
attribute vec3 position;
attribute vec3 normal;
attribute vec4 color;
uniform mat4 mvpMatrix;
uniform mat4 mMatrix;
varying vec3 vPosition;
varying vec3 vNormal;
varying vec4 vColor;
void main(void){
vPosition = (mMatrix * vec4(position, 1.0)).xyz;
vNormal = normal;
vColor = color;
gl_Position = mvpMatrix * vec4(position, 1.0);
}跟上次比较，变更点有两个。第一个变更点是为了向片段着色器传入顶点的位置情报，追加了varying变量vPosition。因为表示的顶点的位置情报，所以定义了vec3类型。
第二个变更点是追加了新的uniform变量mMatrix。像刚才写的那样，因为顶点着色器中的顶点的位置坐标是局域坐标系，所以为了将模型坐标变换矩阵变换成适当的形式（就是世界坐标系），使用uniform修饰符定义的变量，以便在着色器一侧接受到模型坐标变换矩阵。
向片段着色器中传递顶点的位置情报的时候，表示模型坐标变换矩阵的mMatrix和表示顶点的局部坐标的position相乘，结果带入到vPosition中。这样的话，片段着色器就能使用模型坐标变换后的顶点位置了。
片段着色器的修改
接着是片段着色器一侧的修改，片段着色器中需要使用顶点的位置和点光源的位置算出光向量。这时的光向量的计算方法是非常简单的，只需要单纯的减法就可以了。
另外，这次是根据电光源做处理的，所以用表示电光源的位置的uniform变量lightPosition来代替表示光向量的uniform变量lightDirection。
>片段着色器代码
precision mediump float;
uniform mat4 invMatrix;
uniform vec3 lightPosition;
uniform vec3 eyeDirection;
uniform vec4 ambientColor;
varying vec3 vPosition;
varying vec3 vNormal;
varying vec4 vColor;
void main(void){
vec3 lightVec = lightPosition - vPosition;
vec3 invLight = normalize(invMatrix * vec4(lightVec, 0.0)).xyz;
vec3 invEye = normalize(invMatrix * vec4(eyeDirection, 0.0)).xyz;
vec3 halfLE = normalize(invLight + invEye);
float diffuse = clamp(dot(vNormal, invLight), 0.0, 1.0) + 0.2;
float specular = pow(clamp(dot(vNormal, halfLE), 0.0, 1.0), 50.0);
vec4 destColor = vColor * vec4(vec3(diffuse), 1.0) + vec4(vec3(specular), 1.0) + ambientColor;
gl_FragColor = destColor;
}着色器中的main函数的第一行，将从点光源到顶点的光向量代入到变量lightVec中。像上面说的一样，使用了单纯的减法，很简单吧。并且，使用这里得到的光向量，和之前平行光源一样求逆矩阵以及半向量，计算扩散光和反射光。理解了结构，也就应该明白，其实和之前的demo也没有多大的变化。主要是光向量的处理不同，光照的方法基本上大致相同。
javascript 的修正
着色器修改完之后，下面就是主程序的javascript的修改了。这次细节部分修改的比较多，一点点的开始解说。目前为止的demo都只渲染了一个圆环体，这次在圆环体之外加一个球体，看文章一开始的图片就知道了。圆环体的顶点数据以及球体的顶点数据要另外准备。
球体模型的顶点数据的生成，使用以下的函数。和生成圆环体的顶点数据的函数是比较类似的。>生成球体的顶点数据的函数
// 球体を生成する関数
function sphere(row, column, rad, color){
var pos = new Array(), nor = new Array(),
col = new Array(), idx = new Array();
for(var i = 0; i <= row; i++){
var r = Math.PI / row * i;
var ry = Math.cos(r);
var rr = Math.sin(r);
for(var ii = 0; ii <= column; ii++){
var tr = Math.PI * 2 / column * ii;
var tx = rr * rad * Math.cos(tr);
var ty = ry * rad;
var tz = rr * rad * Math.sin(tr);
var rx = rr * Math.cos(tr);
var rz = rr * Math.sin(tr);
if(color){
var tc = color;
}else{
tc = hsva(360 / row * i, 1, 1, 1);
}
pos.push(tx, ty, tz);
nor.push(rx, ry, rz);
col.push(tc[0], tc[1], tc[2], tc[3]);
}
}
r = 0;
for(i = 0; i < row; i++){
for(ii = 0; ii < column; ii++){
r = (column + 1) * i + ii;
idx.push(r, r + 1, r + column + 2);
idx.push(r, r + column + 2, r + column + 1);
}
}
return {p : pos, n : nor, c : col, i : idx};
}形成球体的顶点，定义了一个用一个大的多边形群组成的膜裹成球的形状方法。这个sphere函数接受四个参数，第一个参数是形成球体的膜状的多边形板的纵向分割数（顶点数），用地球比喻的话就是纬度的方向。第二个参数则是横向分割数，这里用地球来说的话，就是经度的方向。第三个参数是球体的半径。第四个参数是球体的颜色，这个颜色是包含四个元素的数组，如果没有指定颜色，则会自动分配HSV颜色。这个函数的使用方法，传入适当的参数，然后接收返回值。返回值是一个对象，使用的时候就参照这个对象的适当的属性。实际的代码如下。
>函数sphere的使用部分
// 用球体的顶点数据生成VBO并保存 var sphereData = sphere(64, 64, 2.0, [0.25, 0.25, 0.75, 1.0]); var sPosition = create_vbo(sphereData.p); var sNormal = create_vbo(sphereData.n); var sColor = create_vbo(sphereData.c); var sVBOList = [sPosition, sNormal, sColor]; // 球体用IBO的生成 var sIndex = create_ibo(sphereData.i);上面的代码，生成一个纵向和横向都是64个顶点的球体，半径是2.0，这次指定的颜色是蓝色。需要注意的是，为了后面的处理，将VBO保存到了数组中，这样做了之后，attributeLocation和VBO联系的工作就变的非常的方便了，这个后面会叙述。
接着是uniformLocation的获取部分，这次是从平行光源变到电光源，指定光的方向的部分要换成指定光的位置。
>uniform的相关处理
// uniformLocationを配列に取得 var uniLocation = new Array(); uniLocation[0] = gl.getUniformLocation(prg, ‘mvpMatrix‘); uniLocation[1] = gl.getUniformLocation(prg, ‘mMatrix‘); uniLocation[2] = gl.getUniformLocation(prg, ‘invMatrix‘); uniLocation[3] = gl.getUniformLocation(prg, ‘lightPosition‘); uniLocation[4] = gl.getUniformLocation(prg, ‘eyeDirection‘); uniLocation[5] = gl.getUniformLocation(prg, ‘ambientColor‘); // 中略 // 点光源的位置 var lightPosition = [0.0, 0.0, 0.0];着色器中进行的uniform修饰符变量的变更在这里都详细的反映出了，而且，demo的电光源的位置设定成了原点。
为了更容易明白点光源的效果，demo中的以点光源的位置为中心，圆环体和球体不断的进行旋转，里面包含了模型坐标变换矩阵的生成。因为同时绘制两个模型，在持续循环的过程中，使用适当的VBO和IBO进行模型的渲染。
代码稍微长了点，仔细看的话就明白了。主要是刚才写的那样，使用保存有VBO的数组，在自制的函数中对VBO进行绑定处理。
>持续循环的绘制处理
// カウンタをインクリメントする count++; // カウンタを元にラジアンと各種座標を算出 var rad = (count % 360) * Math.PI / 180; var tx = Math.cos(rad) * 3.5; var ty = Math.sin(rad) * 3.5; var tz = Math.sin(rad) * 3.5; // トーラスのVBOとIBOをセット set_attribute(tVBOList, attLocation, attStride); gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, tIndex); // モデル座標変換行列の生成 m.identity(mMatrix); m.translate(mMatrix, [tx, -ty, -tz], mMatrix); m.rotate(mMatrix, -rad, [0, 1, 1], mMatrix); m.multiply(tmpMatrix, mMatrix, mvpMatrix); m.inverse(mMatrix, invMatrix); // uniform変数の登録と描画 gl.uniformMatrix4fv(uniLocation[0], false, mvpMatrix); gl.uniformMatrix4fv(uniLocation[1], false, mMatrix); gl.uniformMatrix4fv(uniLocation[2], false, invMatrix); gl.uniform3fv(uniLocation[3], lightPosition); gl.uniform3fv(uniLocation[4], eyeDirection); gl.uniform4fv(uniLocation[5], ambientColor); gl.drawElements(gl.TRIANGLES, torusData.i.length, gl.UNSIGNED_SHORT, 0); // 球体のVBOとIBOをセット set_attribute(sVBOList, attLocation, attStride); gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sIndex); // モデル座標変換行列の生成 m.identity(mMatrix); m.translate(mMatrix, [-tx, ty, tz], mMatrix); m.multiply(tmpMatrix, mMatrix, mvpMatrix); m.inverse(mMatrix, invMatrix); // uniform変数の登録と描画 gl.uniformMatrix4fv(uniLocation[0], false, mvpMatrix); gl.uniformMatrix4fv(uniLocation[1], false, mMatrix); gl.uniformMatrix4fv(uniLocation[2], false, invMatrix); gl.drawElements(gl.TRIANGLES, sphereData.i.length, gl.UNSIGNED_SHORT, 0); // コンテキストの再描画 gl.flush();各种坐标变换矩阵的生成，以及逆矩阵的生成结束后，将点光源的位置和视点向量等一起传入着色器，以及VBO和IBO的绑定处理之后，发出绘图命令。
为了绘制两个模型而进行了一连串的处理，但是要注意不要重复，也没进行特别难的处理。
总结
用点光源的光照，概念基本上和平行光源一样。根据获取光向量和顶点的法线及视点向量的内积来添加阴影。和平行光源的不同之处，简单的说就是光向量是否是一个固定值。点光源使用的是模型坐标变换后的顶点的位置和光源的位置，这时再计算光向量，所以增加了若干的计算量。平行光源的光的方向是一定的，整体都受到均等的光照。但是点光源根据实际顶点的坐标要进行具体的光的碰撞。这次的demo和上次一样在片段着色器中进行光的计算和补色着色，所以可以进行很漂亮的渲染。
这次的文章中只需要明白是进行了光照相关的基础部分的封装，WebGL中的着色根据功夫是否到家，可以渲染出各种效果，从现在开始要有应用的能力了，以后会进行一些特殊的技术的详细的介绍。
那么，这次也提供了实际的demo，请点击连接进行测试。
下次，要开始图片的渲染了，期待吧。
用点光源来渲染圆环体和球体
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