opengl 教程(17) 环境光
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在3D真实感图形学中，光照是很重要的技术。从物理上讲，一束光是由很多细小的粒子“光子”组成，这些光子在空气中传输，在物体的表面折射，反射，最终进入我的视觉系统，形成了我们眼中看到的真实世界。在编程中，我们不可能模拟所有光子的行为，所以如何对光照进行建模，模拟出它的真实效果，是计算机图形学中一个永恒的话题
在各种paper中，人们已经提出了许多种光照模型算法，随着图形学的发展以及GPU计算能力提高，还会出现更多的光照算法。在本篇教程中，我们只讨论最基本的光照模型，它编程相对容易，它的效果作用于场景中的所有物体。
最基本的光照模型称作 环境光/漫反射光/高光(Ambient/Diffuse/Specular)光照模型：
环境光就是在没有太阳的情况下，你周围的光照情况，它模拟的是太阳光照射地面后，在不同的位置被反射，折射，最后混合在一起的一种光线，环境光没有方向，没有起点，它是一种均匀的光照效果，即使在阴影中，也有环境光存在。
漫反射光是光照在物体表面被反射，最终进入我们眼睛的效果，漫反射光和光线的方向，以及物体表面的法线有关，比如一个物体有2面，当漫反射光只照在一个面时，这个面是亮的，而另一个面是暗的。太阳光看似没有方向，其实是有的，比如一个大楼，太阳照在它的上面，它的投影方向就是太阳光的方向。
高光是物体本身的一种属性，当光作用于物体时，物体上某个部分可能特别亮，这就是高光，高光会随着我们的视点移动而不断改变位置。金属物体一般都有这种高光属性，比如金属球，汽车表面等等。计算高光必须考虑光线方向，光照物体的法向，以及视线的方向。
在3D应用程序中，我们并不直接设定环境光，漫反射光和高光，而是使用光源的概念，比如太阳，电灯，蜡烛，火把等等，这些光源都是环境光，漫反射光，高光不同强度的绑定组合。
在下面的教程中，我们实现几种不同光源，通过这些光源来研究基本光照模型。
首先我们来看看“方向光”，方向光是一束没有起点的光，这意味着所有的光线都是平行的。方向光的方向可以用一个向量来表示，这个向量用来计算场景中所有物体的光照效果。现实生活中，太阳光就可以认为是方向光，并不是说太阳光发出的光线都是平行的，只是因为太阳离我们太远了，它的光线可以近似认为是平行光。
方向光另外一个重要的属性就是不管它离物体的距离多远，它的亮度都是恒定的，在下面的教程，我们将会学习到点光源，而点光源的亮度是会随着距离衰减的。
下面的图很好的解释了方向光:
我们已经知道太阳光包括环境光和漫反射光2部分，本篇教程中，我们先编程实现环境光的效果，下一篇教程再来学习漫反射光。
前面的教程中，我们学习了如何在一个纹理上采样像素颜色，像素颜色有3个通道，红绿蓝(RGB)，每个通道都是一个单字节，也就是说每个通道的颜色值范围是[0,255]，不同的RGB值代表不同的颜色，(0,0,0)表示黑色，(255,255,255)表示白色。我们可以对一个颜色RGB值按比例缩放，可以看到颜色不变，但亮度越来越低。er or darker (depending on the scaling factor)。
白色光照到物体表面时候，反射的光仅仅是物体本身的颜色，可能会更暗或者更亮，这依赖于光源的强度。如果光源是纯红色(255，0，0)，那么反射光就仅仅是物体表面的颜色的红色通道部分，因为没有蓝色和绿色部分被反射，如果物体是纯蓝的，那么此时物体看起来就是黑色的，因为没有蓝色光被反射。
我们将指定光源颜色的RGB值范围是[0-1]，然后把光源颜色和物体表面颜色相乘，得到光反射的颜色，即我们看到的物体颜色。下面的方程用来计算环境光：
在这篇教程程序中，我们可以通过a和s键来增加和减少环境光的强度，当然，这只是环境光的部分，方向光本身还没有被计算进来，在下篇教程中，我们将来实现漫反射光，现在我们渲染的物体金字塔，它的四个面光照都是一样的。
环境光真实感并不强，是人为添加的光照因素，后面我们考虑了漫反射和高光后，会把它们组合在一起，实现更真实的三维物体渲染。
代码如下：
本教程中，我们会对程序架构进行一些改变,主要变化如下：
- 在 Technique 类中包装了shader管理，比如shader编译，链接等等。我们自己的特效(effect)类都是从 Technique 中派生出来的。
- 把 GLUT初始化以及回调函数管理放在GLUTBackend模块中处理，这个模块会注册自己以便接受GLUT的回调函数，然后通过C++接口类 ICallbacks 转发给应用程序。
- 把主cpp中的全局函数和变量移动到一个类中，这个类能够被看作应用程序类，在后面的教程中，我们将会扩展这个类，提供更多的通用功能，这中模式在很多的引擎和框架中都很流行。
下面看看重构后的代码：
glut_backend.h
void GLUTBackendInit(int argc, char** argv);
bool GLUTBackendCreateWindow(unsigned int Width, unsigned int Height, unsigned int bpp, bool isFullScreen, const char* pTitle);
GLUT相关的代码都被移到 "GLUT backend" 模块中，这使得初始化GLUT和创建窗口变得更容易。
void GLUTBackendRun(ICallbacks* pCallbacks);
GLUT初始化和创建窗口后，我们就要执行GLUT主循环，GLUTBackendRun函数就是用来执行主循环的。新增的Callbacks接口用来注册GLUT回调函数。和前面教程中每个应用程序注册自己的回调函数不同，GLUT backend模块把自己注册为虚函数函数，然后通过继承类，把事件发送到这个函数中掉用的对象。
technique.h
class Technique
{
public:
Technique();
~Technique();
virtual bool Init();
void Enable();
protected:
bool AddShader(GLenum ShaderType, const char* pShaderText);
bool Finalize();
GLint GetUniformLocation(const char* pUniformName);
private:
GLuint m_shaderProg;
typedef std::list<GLuint> ShaderObjList;
ShaderObjList m_shaderObjList;
};
前面教程中，我们在主程序cpp中实现shader的编译，链接等功能，本教程代码中，我们包装了这些公用的功能，建立Technique类，它的继承类将主要专注于shader特效。
每个technique首先要调用Init函数进行实例化操作，techniqu的派生类必须首先调用基类的Init化函数(该函数中创建OpenGL程序对象)，也可以增加自己的私有函数。
一个Technique对象被创建和实例化后，然后派生类要调用函数 AddShader() 去增加shader，最后调用Finalize()函数链接对象。在切换 technique和调用draw之前，我们必须调用Enable函数，因为该函数包装了 glUseProgram() 。
该类会跟踪中间编译的对象，并在它们使用完毕后，用glDeleteShader()删除它们，这有助于减少程序的资源消耗。程序对象本身在析构函数通过glDeleteProgram()删除。
tutorial17.cpp
class Tutorial17 : public ICallbacks
{
public:
Tutorial17()
{
...
}
~Tutorial17()
{
...
}
bool Init()
{
...
}
void Run()
{
GLUTBackendRun(this);
}
virtual void RenderSceneCB()
{
...
}
virtual void IdleCB()
{
...
}
virtual void SpecialKeyboardCB(int Key, int x, int y)
{
...
}
virtual void KeyboardCB(unsigned char Key, int x, int y)
{
...
}
virtual void PassiveMouseCB(int x, int y)
{
...
}
private:
void CreateVertexBuffer()
{
...
}
void CreateIndexBuffer()
{
...
}
GLuint m_VBO;
GLuint m_IBO;
LightingTechnique* m_pEffect;
Texture* m_pTexture;
Camera* m_pGameCamera;
float m_scale;
DirectionalLight m_directionalLight;
};
上面的代码是主应用程序类的代码，它封装了其余的一些代码。Init() 用于创建特效类，装入纹理和创建顶点和索引缓冲，Run函数调用 GLUTBackendRun()并把对象自己作为参数传入
lighting_technique.h
struct DirectionalLight
{
Vector3f Color;
float AmbientIntensity;
};
我们定义了一个方向光的结构，注意现在成员只有光的颜色和环境光，后面的教程中，我们会继续增加漫反射和高光部分。
第一个参数是光源的RGA颜色，第二参数是环境光系数，为1.0时候，是很亮的环境光，为0.1时候是很暗的环境光。
class LightingTechnique : public Technique
{
public:
LightingTechnique();
virtual bool Init();
void SetWVP(const Matrix4f& WVP);
void SetTextureUnit(unsigned int TextureUnit);
void SetDirectionalLight(const DirectionalLight& Light);
private:
GLuint m_WVPLocation;
GLuint m_samplerLocation;
GLuint m_dirLightColorLocation;
GLuint m_dirLightAmbientIntensityLocation;
};
我们将从 Technique类中派生出光照类，该类创建后，首先要调用Init函数。
in vec2 TexCoord0;
out vec4 FragColor;
struct DirectionalLight
{
vec3 Color;
float AmbientIntensity;
};
uniform DirectionalLight gDirectionalLight;
uniform sampler2D gSampler;
void main()
{
FragColor = texture2D(gSampler, TexCoord0.xy) *
vec4(gDirectionalLight.Color, 1.0f) *
gDirectionalLight.AmbientIntensity;
}
顶点shader代码没有变化，片元shader中，增加了一个方向光的uniform变量，该变量用来从应用程序传入光照参数。最后的返回颜色，我们用光照和纹理采样的结果相乘，得到最终的像素颜色。
m_WVPLocation = GetUniformLocation("gWVP");
m_samplerLocation = GetUniformLocation("gSampler");
m_dirLightColorLocation = GetUniformLocation("gDirectionalLight.Color");
m_dirLightAmbientIntensityLocation = GetUniformLocation("gDirectionalLight.AmbientIntensity");
为了访问uniform变量DirectionalLight，我们增加了上述代码，注意，对于结构中成员变量，我们需要分别指定。
程序运行后，界面如下，我们可以用a和s键来调节环境光亮度。
