前言
按道理，材质和贴图是影响光照的。上一节，我只是简单地弄了一下光照，主要是因为偷懒，主要是想早一点看到 3D 模型的效果。如果要考虑到贴图和材质，需要额外做一点工作。我这里还是使用 Assimp 库载入了我之前收集的一个小木屋模型（是.obj格式的），然后使用 stb_image.h 这个库载入图片进行贴图。多的话不说，先展示效果：
这一节我就不贴代码了，主要是讲一些贴图、材质、光照和我自己的一些设计思路。
简单的光照原理
在现在的 OpenGL 版本中，光照都是写到 Shader 中的，固定管线已经过时。当然，我们需要把计算光照所需要的一些信息传递到 Shader Program 中。究竟有哪些数据是需要传递到 Shader Program 中的呢？我们这里按照简单的光照模型总结一下：
- 顶点的位置，这个不用多说，这是组成模型的基础；
- 顶点的法线向量。法线向量在光照的计算中非常重要。简单的光照可以理解为包含三个部分：环境光、漫反射光、镜面反射光。其中，漫反射光的强度和光源的方向和法线方向有关，我们一般会将光源方向和法线方向点乘，然后再和模型的漫反射颜色、灯光的颜色相乘。镜面反射光和光源方向、视线方向、法线方向都有关，一般是先计算视线方向和光源方向的中间向量，然后把这个中间向量和法线方向点乘，然后再做一个幂运算，然后和模型的镜面反射颜色、灯光颜色相乘。环境光和法线方向无关，等于模型的环境光颜色和场景的环境光颜色点乘。最后，将以上三个部分相加即可。（这里需要注意，所有的方向向量点乘之前，需要将其长度规范化为1。其次，如果是点光源，还要考虑距离衰减，我们这里暂时忽略。）根据以上原理，其伪代码基本如下：
in vec3 fNormal;
uniform vec3 ambientColor;
uniform vec3 ka;
uniform vec3 kd;
uniform vec3 ks;
uniform vec3 lightDirection;
uniform vec3 eyeDirection;
uniform float shiness;
ambient = ka * ambientColor;
diffuse = kd * dot(normalize(fNormal), normalize(lightDirection)) * lightColor;
speculuar = ks * pow(dot(normalize(fNormal), normalize((lightDirection + eyeDirection)/2)), shiness) * lightColor;
fColor = ambient + diffuse + specular;
当然，其中每一步都要判断是否大于0.0小于1.0。
- 根据以上简单光照的原理，我们的模型需要将模型固有的环境光颜色、漫反射颜色、镜面反射颜色、反射指数等数据传入 Shader Program。根据惯例，我们可以把它们简称ka、kd、ks。
- 根据以上简单光照的原理，我们的场景需要将灯光位置、灯光颜色、环境光颜色传入 Shader Program。
- 除了直接传入模型的颜色值，还可以使用纹理贴图，所以顶点需要纹理坐标，需要将纹理坐标传入 Shader Program。
- 纹理贴图需要绑定到纹理单元，然后在 Shader 中使用。根据惯例，我们可以把它们简称为 mapKa、mapKd、mapKs。如果使用纹理，其 Shader 的伪代码基本如下：
in vec3 fNormal;
in vec2 fTexCoords;
uniform vec3 ambientColor;
uniform vec3 ka;
uniform vec3 kd;
uniform vec3 ks;
uniform vec3 lightDirection;
uniform vec3 eyeDirection;
uniform float shiness;
uniform int hasMapKs;
uniform sampler2D mapKs;
uniform int hasMapKd;
uniform sampler2D mapKd;
ambient = ka * ambientColor;
if(hasMapKd){
diffuse = texture(mapKd, fTexCoords) * dot(normalize(fNormal), normalize(lightDirection)) * lightColor;
ambient = texture(mapKd, fTexCoords) * ambientColor; //没有单独的 mapKa，所以有 mapKd 的时候直接使用 mapKd 计算环境光。
}else{
diffuse = kd * dot(normalize(fNormal), normalize(lightDirection)) * lightColor;
}
if(hasMapKs){
speculuar = texture(mapKs, fTexCoords) * pow(dot(normalize(fNormal), normalize((lightDirection + eyeDirection)/2)), shiness) * lightColor;
}else{
speculuar = ks * pow(dot(normalize(fNormal), normalize((lightDirection + eyeDirection)/2)), shiness) * lightColor;
}
fColor = ambient + diffuse + specular;
因为不是所有的模型都有贴图，所以在 Shader 里面判断一下，如果有贴图，就使用 mapKd 和 mapKs，否则，就直接使用 kd 和 ks 的值。
在这里，这些 ka、kd、ks、mapKd、mapKs、shiness 等，就构成了模型的材质信息。
我的设计思路
现实中的模型都是千奇百怪的，而我的程序不可能都满足，所以必须做一点假设，如下：
- 假设所有模型都具有 ka、kd、ks 和 ns，如果没有，则假设 ka、kd、ks 都是 vec3(1.0f)，ns 是 float(100.0f);
- 假设所有模型都只使用 mapKd 和 mapKs，不使用其它类型的贴图；没有 mapKa，所以计算环境光颜色的时候，直接使用 mapKd。
- 假设对于每一个 Mesh，mapKd 和 mapKs 每种最多只能有一个，不同时使用多个同种类型的贴图；
- 假设所有的顶点格式都是提供位置、法线、纹理坐标信息。没有提供法线信息的，Assimp 库在载入模型的时候，可以自动生成。
我使用的是 Assimp 库载入 3D 模型，我用到的 3D 模型都是在网上下载的，有的有贴图和材质信息，有的没有，甚至有的提供有纹理贴图文件，但是 .mtl 文件中却没有把文件路径写上去。这都不是问题，.obj 文件和 .mtl 文件都是纯文本格式的，我们可以自己改。
我使用 stb_image.h 载入纹理贴图文件。对于每个文件，我将它载入内存后，就直接绑定到相应的纹理单元，所以，最后传递给 Mesh 类保存的，只需要 textureID 即可。为了防止重复载入文件，提升效率，我还是保存了纹理贴图文件的路径。
我使用 glm 库来做矩阵和向量的运算。
最后，我觉得每一个 Model 关联一个 Shader Program。一个 Model 里面包含很多个 Mesh ，但是同一个 Model 里面的 Mesh 都使用同一个 Shader Program 进行渲染，当然，不同的 Mesh 可以给 Shader Program 传递不同的参数。
所以，先定义几个简单的结构，其伪代码如下：
struct Vetex{
glm::vec3 position;
glm::vec3 normal;
glm::vec2 texCoord;
}
struct Texture{
GLunit id;
std::string path;
}
Model 类的伪代码大概如下：
class Model{
private:
std::vector<Mesh> meshes; //该 Model 中包含的所有 Mesh
std::vector<Texture> texture_loaded; //所有已加载的 Texture，为了加速
ShaderProgram shaderProgram;
public:
void loadModel(std::string path);
void render();
}
而重点是 Mesh 类，其伪代码大概如下：
class Mesh{
private:
std::vector<Vetex> vetecis;
std::vector<glm::vec2> indices;
GLuint VAO，VBO，EBO，textureId；
glm::vec3 ka;
glm::vec3 kd;
glm::vec3 ks;
float ns;
int hasMapKd;
GLunit mapKd;
int hasMapKs;
GLunit mapKs;
ShaderProgram shaderProgram;
public:
void genericMesh(int slice);
void setup();
void render();
}
这里的 setup() 方法很重要，需要它将顶点数据存入到 VAO、VBO 和 EBO，然后才能调用 render()。而纹理倒是不用担心，在载入模型的时候，就已经将纹理绑定到指定的纹理单元了，只需要把 textureId 传递到 Shader Program 中即可，就可以找到对应的采样器。
总结
其实 OpenGL 不难，主要是我太懒。但是到这一步，我们就基本上搭建了一个比较完善的框架，可以载入 3D 模型，有适当的纹理和光照，可以看到实实在在的 3D 效果了。这真是一个激动人心的时刻。
下一步，我们来挑战天空盒、反射和折射。
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该随笔由京山游侠在2023年07月27日发布于博客园，引用请注明出处，转载或出版请联系博主。QQ邮箱：1841079@qq.com
