openGL CG2 vertex lighting

之前的一篇教程HelloCG介绍了Cg的一些最基本的东西。这篇教程将介绍利用可编程渲染管线来实现光照。光照模型将采用广泛应用的phong模型，虽然这种模型在openGL的固定管线中已经实现了，但是学习该光照模型可以更加清楚的了解可编程渲染管线的流程。

首先要实现phong光照模型先要了解该模型中光照计算，关于phong模型光照计算的相关资料网上相当多，或者参考任何一本计算机图形学的相关书籍即可，这里只给出计算公式。 

C = ambient + diffuse + specular

从公式中可以得出，物体顶点的最终颜色是由环境反射，漫反射和镜面反射三个成分来决定的。环境反射的计算公式为：

ambient = I_aK_a

其中，I_a是光的环境反射强度，K_a是物体材质的环境射系数。环境反射很简单，和光源、法线等等都没有关系，下面是只有环境反射的例子。

Fig1环境反射，I_a=(1.0, 1.0, 1.0)，K_a=(0.15,0.15,0.0)

和环境反射相比，漫反射就稍微复杂一点，它和光源的位置和物体顶点的法线都有关系。漫反射的计算公式为：

diffuse = I_dK_d (NL)

其中I_d是光的漫反射强度，K_d是物体材质漫反射系数，NL表示法线N和入射光线L的内积。下面是只有面反射的例子。

Fig2漫反射，I_d=(1.0, 1.0, 1.0)，K_d=(1.0, 1.0 , 0.0)

最后是镜面反射，和漫反射相比，镜面反射又复杂了一点。它不仅和光源位置，物体顶点法线有关系，而且还和我们观看的位置有关系。镜面反射的计算公式为：

specular = I_sK_s(VR)ⁿ

其中I_s是光的镜面反射强度，K_s是物体材质的镜面反射系数，VR表示相机朝向向量V和反射光线R的内积，n表示该内积的n次幂。这里反射光线R可以通过公式

R = 2(LN)N-L

所以，镜面反射公式现在可以写成

specular = I_sK_s(NH)ⁿ

下面是只有镜面反射的例子。

Fig3镜面反射，I_s=(1.0, 1.0, 1.0)，K_s=(1.0, 1.0 , 1.0,), n=32

通过上面的过程，分别计算出了物体每个顶点的环境反射，面反射和镜面反射。最后简单将这三个成分相加即可得到顶点最终的颜色。

C = I_aK_a + I_dK_d (NL)+ I_sK_s(NH)ⁿ

图fig4显示了这个相加的过程。

Fig4 phong光照

下面是vertex shader的代码。由于是基于vertex的光照，所以不需要fragment shader。

[cpp] view plaincopy
uniform float3 LightPosition; //光源位置  
uniform float3 eyePosition;   //相机位置  
uniform float3 I;              //光强度  
uniform float3 Ka;             //环境光反射系数  
uniform float3 Kd;             //漫反射系数  
uniform float3 Ks;             //镜面反射系数  
uniform float shininess;      //n幂次  
   
struct output  
{  
      float4 position : POSITION;   
      float4 color     : COLOR;   
};  
   
output vs_main( float4 position : POSITION,  
                     float3 normal   : NORMAL,  
                     uniform float4x4 MV, // 在相机坐标系中计算，所以要用到ModelView变换矩阵  
                     uniform float4x4 MVP // ModelViewProjection变换矩阵  
                    )  
{  
      output OUT;  
      OUT.position = mul(MVP, position);  
   
      float3 N = normalize(mul(MV, float4(normal,0.0)) ).xyz; //转换法线到相机坐标系  
      float3 P = mul(MV, position).xyz; //转换物体顶点到相机坐标系  
   
      float3 L = normalize(LightPosition - P);  
      float NdotL = max(dot(N,L),0); //判断法线和入射光线的角度是否大于90度  
   
      float3 ambient = Ka * I; //环境反射  
      float3 diffuse = Kd * I * NdotL; //漫反射  
   
      float3 V = normalize(eyePosition - P);  
      float3 H = normalize(L+V); //half vector  
      float NdotH = pow(max(dot(N,H), 0), shininess);  
      if(NdotL<=0) NdotH = 0.0;  
   
      float3 specular = Ks*I*NdotH; //镜面反射  
   
      float3 color = ambient + diffuse +specular; //所有成分相加  
      OUT.color.xyz= color;  
      OUT.color.w = 1.0;  
   
      return OUT;  
}