3D編程：第六章 Lighting Models

第六章 Lighting Models

在現實世界中，沒有光照是無法看見東西的；一個物體能被看見，要麼是通過反射光源，要麼是自身發光。在使用電腦渲染時，類比光線的互動可以使3D objects更逼真。但是光照的互動是一個非常複雜的過程，不能簡單的在各種交叉的幀率之間進行複製（至少目前階段還不行）。因此，使用光照與3D objects互動的近似值或光照模型，在情境中實現更多的細節。本章主要介紹一些基礎的光照模型。

Ambient Lighting（環境光線）

在一個光照環境中，環境光線看起來遠處不在。例如，即使沒有光源直接照向桌底下最遠的角落裡，你依然可以看清角落的細節。這種環境光線，是由物體表面上無數種光線相互作用的結果。當一束光照射到物體表面時，光線的全部或部分要麼被反射要麼被吸收，而且會一直持續。因此部分光線能照射到桌底的角落裡，即使只有一點點。

通過改變一些常量值來修改某個pixel的顏色值可以實現環境光線的簡單近似。可以把這些常量看成光照亮度或強度係數，介於0和1之間，每一個pixel都與該係數相乘就能得到環境光線的近似值。環境光線強度值越接近於0，物體看起來就越暗。此外，可以在環境光線模型中包含一種顏色，用於類比非純白色的光源。這需要計算一個pixel的紅，綠，藍各個通道值。列表6.1列出了一種環境光線effect的代碼。

列表6.1 AmbientLighting.fx

/************* Resources *************/#define FLIP_TEXTURE_Y 1cbuffer CBufferPerFrame{float4 AmbientColor : AMBIENT <string UIName = "Ambient Light";string UIWidget = "Color";> = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f };}cbuffer CBufferPerObject{float4x4 WorldViewProjection : WORLDVIEWPROJECTION < stringUIWidget = "None";>;}Texture2D ColorTexture <string ResourceName = "default_color.dds";string UIName = "Color Texture";string ResourceType = "2D";>;SamplerState ColorSampler{Filter = MIN_MAG_MIP_LINEAR;AddressU = WRAP;AddressV = WRAP;};RasterizerState DisableCulling{CullMode = NONE;};/************* Data Structures *************/struct VS_INPUT{float4 ObjectPosition : POSITION;float2 TextureCoordinate : TEXCOORD;};struct VS_OUTPUT{float4 Position : SV_Position;float2 TextureCoordinate : TEXCOORD;};/************* Utility Functions *************/float2 get_corrected_texture_coordinate(float2 textureCoordinate){#if FLIP_TEXTURE_Yreturn float2(textureCoordinate.x, 1.0 - textureCoordinate.y);#elsereturn textureCoordinate;#endif}/************* Vertex Shader *************/VS_OUTPUT vertex_shader(VS_INPUT IN){VS_OUTPUT OUT = (VS_OUTPUT)0;OUT.Position = mul(IN.ObjectPosition, WorldViewProjection);OUT.TextureCoordinate = get_corrected_texture_coordinate(IN.TextureCoordinate);return OUT;}/************* Pixel Shader *************/float4 pixel_shader(VS_OUTPUT IN) : SV_Target{float4 OUT = (float4)0;OUT = ColorTexture.Sample(ColorSampler, IN.TextureCoordinate);OUT.rgb *= AmbientColor.rgb * AmbientColor.a; // Color (.rgb) *Intensity(.a)return OUT;}/************* Techniques *************/technique10 main10{pass p0{SetVertexShader(CompileShader(vs_4_0, vertex_shader()));SetGeometryShader(NULL);SetPixelShader(CompileShader(ps_4_0, pixel_shader()));SetRasterizerState(DisableCulling);}}

AmbientColor Shader Constant

可能你已經注意到了這段代碼與上一章紋理映射effect中的大部分代碼都一樣。使用以前的effects代碼，是為了更好的學習後面的知識。

第一處與上一章不同的是，增加了一個float4類型的shader常量AmbientColor，表示環境的顏色和強度。光的顏色值儲存在RGB通道中，而且強度值儲存在alpha通道中。而且AmbientColor使用一種新cbuffer，CBufferPerFrame。回顧一下第四章，“Hello，Shaders”所討論的constant buffers，通常是根據cbuffer中包含的資料所期望的更新頻率來選擇cbuffers類型。在本例中，AmbientColor值不僅要用於多個objects中，還要於每一幀都進行更新。這與WorldViewProjection對象中使用的CBufferPerObject相反，CBufferPerObject表示把AmbientLighting effect用於每個object，而不是每一幀。

AmbientColor常量有一個對應的AMBIENT語義。與其他任何shader常量一樣，AMBIENT語義也是可選的，但給變數設定語義是一種好的習慣，因為有了語義CPU端的應用程式就可以通過語義訪問該變數值，而不是使用hard-coded name。

最後需要注意的是，AmbientColor常量被初始化為{1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f}。表示這是一個純白色，最大強度的環境光線，不會改變objects的輸出顏色。因此，即使在CPU端的應用程式中忽略該變數，對輸出結果也沒有負面影響。

其餘的代碼，都與紋理映射effect中的代碼一樣，直到pixel shaderf才有差異。

Ambient Lighting Pixel Shader

環境光線照模型的pixel shader首先sample紋理顏色，然後計算光照輸出。具體地說，就是對於紋理採樣所輸出的顏色的RGB通道值都要與AmbientColor.rgb * AmbientColor.a的乘積相乘。一個向量（AmbientColor.rgb float3類型）與一個標量（AmbientColor.a float類型）相乘，要對向量的每一個分量都與標量相乘。因此，環境光線的顏色首先通過光照強度進行調整（也就是光照顏色與光照強度相乘），然後再把採樣輸出的RGB通道值與該乘積相乘。

Ambient Lighting Output

圖6.1是在紋理映射effect的基礎上再加上ambient lighting effect應用到一個sphere的輸出結果。左圖中使用了純白色的光，並且光照強度係數為0.5（即alpha通道值為0.5）。而右圖中，則是紅色光（紅色通道值為1.0，綠色和藍色通道值為0），強度為1（alpha通道值為1.0）。

圖6.1 AmbientLighting.fx applied to a sphere with the texture of Earth with a pure-white,