[OpenGL ES 08]Per-Pixel Light及卡通效果

[OpenGL ES 08]Per-Pixel Light及卡通效果

罗朝辉 (http://www.cnblogs.com/kesalin/)

本文遵循“署名-非商业用途-保持一致”创作公用协议

 

这是《OpenGL ES 教程》的第九篇，前八篇请参考如下链接：

[OpenGL ES 01]iOS上OpenGL ES之初体验
[OpenGL ES 02]OpenGL ES渲染管线与着色器
[OpenGL ES 03]3D变换：模型，视图，投影与Viewport
[OpenGL ES 04]3D变换实践篇：平移，旋转，缩放
[OpenGL ES 05]相对空间变换及颜色
[OpenGL ES 06]使用VBO:顶点缓存
[OpenGL ES 07-1]光照原理
[OpenGL ES 07-2]Per-Vertex Light及深度缓存

前言

本文是基于前文《光照原理》以及《Per-Vertex Light及深度缓存》两篇文章的，如果你还不熟悉光照相关的基础知识，请先阅读那两篇文章。在今天的这篇文章中，我们来研究 Per-Pixel 光照效果以及卡通效果。Per-Pixel 光照效果就是在片元着色阶段针对每个像素进行光照计算，而卡通效果是将散射光因子“分级”从而不再是连续（打个比方说，考试成绩上百分制是连续的，而分级制：好/良好/及格/不及格就不是连续的），这样就能获得漫反射跳跃的卡通效果。Per-Pixel Light 示例源码在这里，运行效果如下：

 

一，创建工程

Per-Vertex light 与 Per-Pixel 的光照计算基本上相同，只是进行的时机不同，Per-Vertex Light 在顶点着色阶段针对每个顶点进行光照计算，而 Per-Pixel 是在片元着色阶段针对每个像素进行光照计算。因此，本文将在前文《Per-Vertex Light及深度缓存》源码的基础上继续进行。

 

二，Per-Pixel Light

1，修改顶点着色

这次，顶点着色脚本非常简单，因为光照计算工作都将转移到片元着色脚本中进行。为了方便与前文中的脚本进行对比，在这里，保留前文中的脚本，新建 PerPixelVertex.glsl 以及 PerPixelFragment.glsl 脚本。

PerPixelVertex.glsl 脚本内容如下:

uniform mat4 projection;
uniform mat4 modelView;
uniform mat3 normalMatrix;

attribute vec4 vPosition;
attribute vec3 vNormal;
attribute vec3 vDiffuseMaterial;

varying vec3 vEyeSpaceNormal;
varying vec3 vDiffuse;

void main(void)
{
    gl_Position = projection * modelView * vPosition;
    
    vEyeSpaceNormal = normalMatrix * vNormal;
    vDiffuse = vDiffuseMaterial;
}

从上面的代码中可以看到，顶点着色器只是简单地转换 local space 中的法线到 view space，然后将相关 varying 传递给片元着色器。

PerPixelFragment.glsl 脚本内容如下:

varying mediump vec3 vEyeSpaceNormal;
varying mediump vec3 vDiffuse;

uniform highp vec3 vLightPosition;
uniform highp vec3 vAmbientMaterial;
uniform highp vec3 vSpecularMaterial;
uniform highp float shininess;

void main()
{
    highp vec3 N = normalize(vEyeSpaceNormal);
    highp vec3 L = normalize(vLightPosition);
    highp vec3 E = vec3(0, 0, 1);
    highp vec3 H = normalize(L + E);

    highp float df = max(0.0, dot(N, L));
    highp float sf = max(0.0, dot(N, H));
    sf = pow(sf, shininess);

    mediump vec3 color = vAmbientMaterial + df * vDiffuse + sf * vSpecularMaterial;
    
    gl_FragColor = vec4(color, 1);
}

从上面的代码可以看到，原先在顶点着色器中进行的光照计算被转移到片元着色器中了。这里没有什么特别的，光照计算过程还是前面两篇文章介绍的那些内容，因此在这里就不再累述了。

为了方便在不同着色脚本之间进行切换，我定义了一个 LightMode 枚举：

enum LightMode {
    PerVertex,
    PerPixel,
    PerPixelToon,
};
const LightMode CurrentLightMode = PerPixel;

并在 setProgram 中根据当前的光照计算模式来载入对应的脚本：

- (void)setupProgram
{
    // Load shaders
    //
    NSString * vertexShaderPath = nil;
    NSString * fragmentShaderPath = nil;

    if (CurrentLightMode == PerVertex) {
        vertexShaderPath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"VertexShader"
                                                           ofType:@"glsl"];
        fragmentShaderPath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"FragmentShader"
                                                             ofType:@"glsl"];
    }
    else if (CurrentLightMode == PerPixelToon) {
        vertexShaderPath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"PerPixelVertex"
                                                           ofType:@"glsl"];
        fragmentShaderPath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"PerPixelToonFragment"
                                                             ofType:@"glsl"];
    }
    else  {
        // default per-pixel light
        vertexShaderPath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"PerPixelVertex"
                                                           ofType:@"glsl"];
        fragmentShaderPath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"PerPixelFragment"
                                                             ofType:@"glsl"];
    }
    
    //......
}

编译运行，效果如下图。细心的童鞋可以比较 Per-Vertex 与 Per-Pixel 两种光照的效果。Per-Vertex 光照计算是在顶点着色阶段进行，然后在光栅化阶段进行线性插值；而 Per-Pixel 光照计算是在片元着色阶段针对每一个像素进行，因此后者要比前者更加细致逼真，效果更好一些，当然计算量自然也要大。

 

三，卡通效果

前面说过，卡通效果是将散射光因子“分级”从而不再是连续的，打个比方说，考试成绩上百分制是连续的，而分级制：好/良好/及格/不及格就不是连续的，这样就能获得漫反射跳跃的卡通效果。

新建 PerPixelToonFragment.glsl 脚本，其内容如下：

varying mediump vec3 vEyeSpaceNormal;
varying mediump vec3 vDiffuse;

uniform highp vec3 vLightPosition;
uniform highp vec3 vAmbientMaterial;
uniform highp vec3 vSpecularMaterial;
uniform highp float shininess;

void main()
{
    highp vec3 N = normalize(vEyeSpaceNormal);
    highp vec3 L = normalize(vLightPosition);
    highp vec3 E = vec3(0, 0, 1);
    highp vec3 H = normalize(L + E);

    highp float df = max(0.0, dot(N, L));
    highp float sf = max(0.0, dot(N, H));
    sf = pow(sf, shininess);
    
    if (df < 0.1)
        df = 0.0;
    else if (df < 0.2)
        df = 0.2;
    else if (df < 0.4)
        df = 0.4;
    else if (df < 0.6)
        df = 0.6;
    else if (df < 0.8)
        df = 0.8;
    else
        df = 1.0;

    mediump vec3 color = vAmbientMaterial + df * vDiffuse + sf * vSpecularMaterial;
    
    gl_FragColor = vec4(color, 1);
}

注意看粗体部分，这就是新增的部分。这部分代码将漫反射因子调整为五个级别：0.0，0.2，0.6，0.8，1.0，因此漫反射就有层次效果了。如下图所示：

 

四，总结

Per-Vertex 与 Per-Pixel 两种光照的异同：两者都是基于相同的光照原理来进行光照计算的，Per-Vertex 光照计算是在顶点着色阶段进行，然后在光栅化阶段进行线性插值；而 Per-Pixel 光照计算是在片元着色阶段针对每一个像素进行。因此后者要比前者效果更好，看上去更加细致逼真，当然计算量自然也要多一些。

卡通效果是将漫反射因子分级，从而形成不连续的跳跃的漫反射效果。在本文中，是在片元着色阶段进行卡通效果处理的，它也可以在顶点着色阶段进行。

在这个系列的介绍中，只提及了一些简单的光照效果，还有很多更加逼真的光照算法或技巧没有涉及，比如菲涅尔效果或使用光照贴图。

菲涅尔效果：根据观察者的观察表面来调整反射率来实现的。比如你从水面，油漆表面或者丝绸的正上方看，反射光泽的柔和效果基本没有，如果侧着或平着看的话，反射光泽的柔和效果就很明显。

光照贴图：使用预先处理好的明暗纹理来模拟光照，这样可以减少实时的光照计算，但这样的技巧只适用于静态场景。