简易顶点光照知识点: Vertex Lighting - MartinRGB/GLES30_ProgrammingGuide_NDK GitHub Wiki

直射光知识点

首先，根据OpenGL ES 3.0编程指南：第八章. Vertex Shaders---(二)，回顾一下光照的几种类型：

漫反射光照计算

漫反射光照颜色 = 光照强度光照颜色 cos(光照与法线夹角)

镜面反射-Phong

镜面反射特性：当R与V重合时光照最强，稍微有一点偏差就会有很大的衰减。

镜面反射光照颜色 = pow(dot(R, V), 光照颜色

参考:

Basic Lighting

镜面反射-BlinnPhong

镜面反射光照颜色 = pow(dot(H, N), 光照颜色)

参考：

Blinn–Phong shading model

简易顶点平行光-Directional Light: 参考 8.2.2

方向光，也叫平行光，是一个距离被照明物体无限远的光源，比如太阳光。由于距离物体无限远，所以方向光的光线都是平行的，照明方向向量是一个常量，不需要逐顶点计算。

注：因为本案例中，官员和观察看着在无限远的地方放所以，半平面向量 = ||Light.xyz + (0,0,1)||

vec4 compute_color(vec3 normal) 
{ 
      vec4 computed_color = vec4(c_zero, c_zero, c_zero, c_zero); 
      float ndotl;   // 光线与法线弧度 
      float ndoth;   // 半平面量与法线弧度

      ndotl = max(c_zero, dot(normal, light_direction)); 
      ndoth = max(c_zero, dot(normal, light_halfplane)); 

      computed_color += (light_ambient_color * material_ambient_color); 
      computed_color += (ndotl * light_diffuse_color * material_diffuse_color); 

      if (ndoth > c_zero) { 
      computed_color += (pow(ndoth, material_specular_exponent) * material_specular_color * light_specular_color); 
      } 
      return computed_color; 
}

最后生成的颜色，将逐个顶点漫反射和反射颜色整合为单个颜色（computed_color)给出。实际上，要为每个光源计算环境、漫反射、反射，然后乘以材料的对应项，生成每个顶点的颜色。

着色器中点积的物理意义：

点积得到数值（弧度，可以转为角度）

两个向量之间的夹角= dot（a，b）=arccos(a·b / (|a|·|b|))

通过点积得到两个向量之间的夹角，通过点积的正负值，可以判断两个向量的方向关系。如果为正，即>0，他们夹角为（0，π/2）。如果为负，夹角为（π/2,π）。

简易顶点聚光-SpotLight 参考 8.2.3

聚光灯兼具位置和方向，所以兼具光线距离衰减和光轴中心角度衰减

1.光线距离衰减: 与光锥中轴形成的不同角度光射线 VPlight 和 spot-direction 点乘得出

聚光灯的光线距离衰减公式：

距离衰减 = 1/(k0 + k1*||VPlight|| + k2*||VPlight||

参考： Light attenuation

2.光轴中心角度衰减: 光线的强度根据 与光锥中心所形成的角度 得出的 点截止因子 进行衰减，点截止因子在 spot-direction 给出的方向上为1.0，根据 spot-cutoff-angle 给出的角度，按距离衰减公式，衰减为0

#version 320 es

layout (binding = 1) uniform u_light
{
    vec4 light_position;
    vec4 light_ambient_color;
    vec4 light_diffuse_color;
    vec4 light_specular_color;
    vec3 light_spot_direction; //规范化点方向向量
    vec3 light_attenuation_factors; //距离衰减因子 k0 k1 k2
    float light_spot_exponent; //用于计算点截止因子的聚光灯指数
    float light_spot_cutoff_angle; //聚光灯截止角度
};

layout (binding = 0) uniform u_material
{
    vec4 material_ambient_color;
    vec4 material_diffuse_color;
    vec4 material_specular_color;
    float material_specular_exponent;
};

uniform mat4 u_mvpMatrix;
uniform mat3 u_mvMatrix;
uniform bool light_compute_distance_attenuation;

const float c_zero = 0.0;
const float c_one = 1.0;

vec4 spot_light_color (vec3 normal, vec4 position)
{
    vec4 computed_color = vec4 (c_zero, c_zero, c_zero, c_zero);

    vec3 lightDir; //光轴中心
    vec3 halfplane;
    float NdotL, NdotH; //法线与光线方向弧度
    float att_factor; //法线与光线出入射半量角弧度

    att_factor = c_one;

    //通过向量的相减，得到光轴中心到顶点位置的方向向量，也就是方向
    lightDir = light_position.xyz - position.xyz;

    //### 距离衰减，参照公式
    if (light_compute_distance_attenuation) {
        vec3 att_dist; 
        att_dist.x = 1;
        att_dist.z = dot (lightDir, lightDir);
        att_dist.y = sqrt(att_dist.z);    
        att_factor = c_one / dot(att_dist, light_attenuation_factors);
   }

    // 各个光线距离衰减计算完成后，归一化向量
    lightDir = normalize (lightDir);

    //### 光束角度衰减
    if (light_spot_cutoff_angle < 180.0) {
        //计算光束与光锥中轴的角度
        float spot_factor = dot (-lightDir, light_spot_direction);
        //如果角度大于了聚光灯截止角度，衰减
        if (spot_factor >= cos(radians(light.spot_cutoff_angle)) )
            spot_factor = pow (spot_factor, light_spot_exponent);
        //否则不衰减
        else
            spot_factor = c_zero;
        //综合距离衰减和光束角度衰减
        att_factor *= spot_factor;
    }

    if (att_factor > c_zero) {
        //综合光的环境色，和材质的环境色
        computed_color += light_ambient_color * material_ambient_color;
        //计算从光轴中心的入射方向与法线的弧度
        NdotL = max(c_zero, dot(normal, lightDir));
        //综合光的漫反射色，和材质的漫反射色
        computed_color += NdotL * light_diffuse_color * material_diffuse_color;
        halfplane = normailze (lightDir + vec3(c_zero, c_zero, c_one));
        //计算从光轴中心的 入射方向与反射方向中心 与法线的弧度
        NdotH = dot (normal, halfplane);
        //如果 halfplane 没有与法线重合，那么发生了反射
        if (NdotH > c_zero) {
            //综合光的反射色，和材质的反射色
            computed_color += pow (NdotH, material_specular_exponent) * material_specular_color * light_specular_color;
       }
        //最后，让光的颜色结合 光轴轴心角度衰减 以及 光线距离衰减
        computed_color *= att_factor;
   }

    return computed_color;
}

void main()                                 
{                                           
   gl_Position = u_mvpMatrix * a_position;  
   v_color = spot_light_color(normalize(u_mvMatrix * a_normal), u_mvpMatrix * a_position);         
}