DirectX11 光照实现

光照实现

1. 光照结构体

在LightHelper.h文件中，我们定义了一些的结构体来表示平行光、点光或聚光灯。
结构体成员组成如下：

1．Ambient：由光源发射的环境光的数量。

2．Diffuse：由光源发射的漫反射光的数量。

3．Specular：由光源发射的高光的数量。

4．Direction：灯光方向。

5．Position：灯光位置。

6．Range：光照范围（离开光源的距离大于这个值的点不会被照亮）。

7．Attenuation：按照（a0、a1和a2）的顺序存储3个衰减常量。衰减常量只用于点和聚光灯，用于控制光强随距离衰减的程度。

8．Spot：该指数用于控制聚光灯的圆锥体区域大小；这个值只用于聚光灯。

“pad”变量的必要性和“packing”格式已经在上一篇博文中讨论过了，如果不知道什么意思，请务必回顾上一篇博文。

下面是各种光源的结构体定义：

struct DirectionalLight{    DirectionalLight() { ZeroMemory(this, sizeof(this)); }    XMFLOAT4 Ambient;    XMFLOAT4 Diffuse;    XMFLOAT4 Specular;    XMFLOAT3 Direction;    float Pad; // 占位最后一个float，这样我们就可以设置光源数组了。};struct PointLight{    PointLight() { ZeroMemory(this, sizeof(this)); }    XMFLOAT4 Ambient;    XMFLOAT4 Diffuse;    XMFLOAT4 Specular;    // 打包到4D矢量: (Position, Range)    XMFLOAT3 Position;    float Range;    // 打包到4D矢量: (A0, A1, A2, Pad)    XMFLOAT3 Att;    float Pad; // 占位最后一个float，，这样我们就可以设置光源数组了。};struct SpotLight{    SpotLight() { ZeroMemory(this, sizeof(this)); }    XMFLOAT4 Ambient;    XMFLOAT4 Diffuse;    XMFLOAT4 Specular;    // 打包到4D矢量: (Position, Range)    XMFLOAT3 Position;    float Range;    // 打包到4D矢量: (Direction, Spot)    XMFLOAT3 Direction;    float Spot;    // 打包到4D矢量: (Att, Pad)    XMFLOAT3 Att;    float Pad; // 占位最后一个float，，这样我们就可以设置光源数组了。};

定义在LightHelper.fx文件中的结构体镜像了上面的结构体：

struct DirectionalLight{    float4 Ambient;    float4 Diffuse;    float4 Specular;    float3 Direction;    float pad;};struct PointLight{    float4 Ambient;    float4 Diffuse;    float4 Specular;    float3 Position;    float Range;    float3 Att;    float pad;};struct SpotLight{    float4 Ambient;    float4 Diffuse;    float4 Specular;    float3 Position;    float Range;    float3 Direction;    float Spot;    float3 Att;    float pad;};

2. 实现平行光

下面的HLSL函数根据给出的材质、平行光源、表面法线和由表面指向观察点的矢量，输出光照后的表面颜色。

void ComputeDirectionalLight(Material mat, DirectionalLight L,                             float3 normal, float3 toEye,                             out float4 ambient,                             out float4 diffuse,                             out float4 spec){    // 初始化输出的变量    ambient = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);    diffuse = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);    spec    = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);    // 光照矢量与光线的传播方向相反    float3 lightVec = -L.Direction;    // 添加环境光    ambient = mat.Ambient * L.Ambient;     // 添加漫反射和镜面光    float diffuseFactor = dot(lightVec, normal);    // Flatten避免动态分支    [flatten]    if( diffuseFactor > 0.0f )    {        float3 v         = reflect(-lightVec, normal);        float specFactor = pow(max(dot(v, toEye), 0.0f), mat.Specular.w);        diffuse = diffuseFactor * mat.Diffuse * L.Diffuse;        spec    = specFactor * mat.Specular * L.Specular;    }}

其中，使用的HLSL内置函数有：dot、reflect、pow和max，它们分别用来计算向量点积、向量反射、乘方和取最大值。读者可以在附录B中找到大部分HLSL内置函数的描述，以及有关HLSL语法的快速入门。另外还有一件事情需要注意，那就是当两个向量使用*运算符相乘时，实际执行的是分量乘法。

注意：PC上的HLSL函数总是内联的，调用函数或传递参数不会有性能损失。

3. 实现点光

下面的HLSL函数根据给出的材质、点光源、表面位置、表面法线和表面点到观察点的的矢量信息，输出光照后的表面颜色。

void ComputePointLight(Material mat, PointLight L, float3 pos, float3 normal, float3 toEye,                   out float4 ambient, out float4 diffuse, out float4 spec){    // 初始化输出变量    ambient = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);    diffuse = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);    spec    = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);    // 表面指向光源的矢量    float3 lightVec = L.Position - pos;    // 表面离光源的距离    float d = length(lightVec);    // 范围测试    if( d > L.Range )        return;    // 光源向量归一化    lightVec /= d;    // 环境光项    ambient = mat.Ambient * L.Ambient;     // 添加漫反射和镜面反射项，所提供的表面是在该光线的位置射出的直线。    float diffuseFactor = dot(lightVec, normal);    // Flatten避免动态分支    [flatten]    if( diffuseFactor > 0.0f )    {        float3 v         = reflect(-lightVec, normal);        float specFactor = pow(max(dot(v, toEye), 0.0f), mat.Specular.w);        diffuse = diffuseFactor * mat.Diffuse * L.Diffuse;        spec    = specFactor * mat.Specular * L.Specular;    }    // 衰减    float att = 1.0f / dot(L.Att, float3(1.0f, d, d*d));    diffuse *= att;    spec    *= att;}

4. 实现聚光灯

下面的HLSL函数根据给出的材质、聚光灯、表面位置、表面法线、表面点指向观察点位置的矢量信息，输出光照后的表面颜色：

void ComputeSpotLight(Material mat, SpotLight L, float3 pos, float3 normal, float3 toEye,                  out float4 ambient, out float4 diffuse, out float4 spec){    // 初始化输出变量.    ambient = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);    diffuse = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);    spec    = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);     // 从表面指向光源的光照矢量    float3 lightVec = L.Position - pos;             // 表面离开光源的距离    float d = length(lightVec);         // Range test.    if( d > L.Range )        return;             // 规范化光照矢量    lightVec /= d;         // 计算环境光    ambient = mat.Ambient * L.Ambient;      // 计算漫反射和镜面光，所提供的表面是在该光线的位置射出的直线。     float diffuseFactor = dot(lightVec, normal);     // Flatten避免动态分支    [flatten]    if( diffuseFactor > 0.0f )    {        float3 v         = reflect(-lightVec, normal);        float specFactor = pow(max(dot(v, toEye), 0.0f), mat.Specular.w);                             diffuse = diffuseFactor * mat.Diffuse * L.Diffuse;        spec    = specFactor * mat.Specular * L.Specular;    }         // 通过聚光灯因子缩放和衰减    float spot = pow(max(dot(-lightVec, L.Direction), 0.0f), L.Spot);     // 通过聚光灯因子缩放和衰减    float att = spot / dot(L.Att, float3(1.0f, d, d*d));     ambient *= spot;    diffuse *= att;    spec    *= att;}