OpenGL2.2材质贴图Maps

材质
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光属性
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颜色是物体对光反色，被眼睛看到的结果。

材质

真实世界，不同物质反射光的性质千差万别，金属通常比粘土更耀眼，在OpenGL中定义材质如下，分别对应冯氏光照模型对应分量的影响:

#version 330 core
struct Material {
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
    float shininess;
}; 
  
uniform Material material;

设置struct uniform值

glUniform3f(glGetUniformLocation(shaderProgram, "material.ambient"), 1.0f, 0.5f, 0.31f);
glUniform3f(glGetUniformLocation(shaderProgram, "material.diffuse"), 1.0f, 0.5f, 0.31f);
glUniform3f(glGetUniformLocation(shaderProgram, "material.specular"), 0.5f, 0.5f, 0.5f);
glUniform1f(glGetUniformLocation(shaderProgram, "material.shininess"), 32.0f); // 反光度=32

数值表

获得每种材质的数值是一个比较难的，通常需要大量实验和经验。材质数值表

Name	Ambient	Diffuse	Specular	Shininess
emerald(绿宝石)	0.0215 0.1745 0.0215	0.07568 0.61424 0.07568	0.633 0.727811 0.633	0.6
jade(玉)	0.135 0.2225 0.1575	0.54 0.89 0.63	0.316228 0.316228 0.316228	0.1
obsidian(黑曜石)	0.05375 0.05 0.06625	0.18275 0.17 0.22525	0.332741 0.328634 0.346435	0.3
pearl(珍珠)	0.25 0.20725 0.20725	1 0.829 0.829	0.296648 0.296648 0.296648	0.088
ruby(红宝石)	0.1745 0.01175 0.01175	0.61424 0.04136 0.04136	0.727811 0.626959 0.626959	0.6
turquoise(蓝宝石)	0.1 0.18725 0.1745	0.396 0.74151 0.69102	0.297254 0.30829 0.306678	0.1
brass(黄铜)	0.329412 0.223529 0.027451	0.780392 0.568627 0.113725	0.992157 0.941176 0.807843	0.21794872
bronze(青铜)	0.2125 0.1275 0.054	0.714 0.4284 0.18144	0.393548 0.271906 0.166721	0.2
chrome(铬)	0.25 0.25 0.25 0.4	0.4 0.4 0.774597	0.774597 0.774597	0.6
copper(铜)	0.19125 0.0735 0.0225	0.7038 0.27048 0.0828	0.256777 0.137622 0.086014	0.1
gold(金)	0.24725 0.1995 0.0745	0.75164 0.60648 0.22648	0.628281 0.555802 0.366065	0.4
silver(银)	0.19225 0.19225 0.19225	0.50754 0.50754 0.50754	0.508273 0.508273 0.508273	0.4
black plastic(塑料)	0.0 0.0 0.0	0.01 0.01 0.01	0.50 0.50 0.50	.25
cyan plastic	0.0 0.1 0.06	0.0 0.50980392 0.50980392	0.50196078 0.50196078 0.50196078	.25
green plastic	0.0 0.0 0.0	0.1 0.35 0.1	0.45 0.55 0.45	.25
red plastic	0.0 0.0 0.0	0.5 0.0 0.0	0.7 0.6 0.6	.25
white plastic	0.0 0.0 0.0	0.55 0.55 0.55	0.70 0.70 0.70	.25
yellow plastic	0.0 0.0 0.0	0.5 0.5 0.0	0.60 0.60 0.50	.25
black rubber(橡胶)	0.02 0.02 0.02	0.01 0.01 0.01	0.4 0.4 0.4	.078125
cyan rubber	0.0 0.05 0.05	0.4 0.5 0.5	0.04 0.7 0.7	.078125
green rubber	0.0 0.05 0.0	0.4 0.5 0.4	0.04 0.7 0.04	.078125
red rubber	0.05 0.0 0.0	0.5 0.4 0.4	0.7 0.04 0.04	.078125
white rubber	0.05 0.05 0.05	0.5 0.5 0.5	0.7 0.7 0.7	.078125
yellow rubber	0.05 0.05 0.0	0.5 0.5 0.4	0.7 0.7 0.04	.078125

注意，该表并未考虑下文提到的光属性, 所以光属性应该全部为1

光属性

一切看起来还不错，就是太亮了，不同的灯光也有不同的属性值，定义如下：

struct Light {
    vec3 position;
  
    vec3 ambient;  // 上一节 ambientStrength=0.1
    vec3 diffuse;  // 为设置， 默认1
    vec3 specular;  // specularStrength=0.5
};

由于未指定灯光属性，默认是1.0，所以每个材质属性返回的是满值。通常ambiant分量不会这么高，所以需要调整一下。

vec3 ambient  = vec3(1.0) * material.ambient;
vec3 diffuse  = vec3(1.0) * (diff * material.diffuse);
vec3 specular = vec3(1.0) * (spec * material.specular); 

修改之后，物体变暗了一些

glUniform3f(glGetUniformLocation(shaderProgram, "light.position"), 1.2f, 1.0f, 2.0f);
glUniform3f(glGetUniformLocation(shaderProgram, "light.ambient"), 0.2f, 0.2f, 0.2f);
glUniform3f(glGetUniformLocation(shaderProgram, "light.diffuse"), 0.5f, 0.5f, 0.5f);
glUniform3f(glGetUniformLocation(shaderProgram, "light.specular"), 1.0f, 1.0f, 1.0f);

动态灯光颜色的结果:

glm::vec3 lightColor;
lightColor.x = sin(glfwGetTime() * 2.0f);
lightColor.y = sin(glfwGetTime() * 0.7f);
lightColor.z = sin(glfwGetTime() * 1.3f);

glm::vec3 diffuseColor = lightColor   * glm::vec3(0.5f);
glm::vec3 ambientColor = diffuseColor * glm::vec3(0.2f);

glUniform3f(glGetUniformLocation(shaderProgram, "light.position"), 1.2f, 1.0f, 2.0f);
glUniform3fv(glGetUniformLocation(shaderProgram, "light.ambient"), 1, glm::value_ptr(ambientColor));
glUniform3fv(glGetUniformLocation(shaderProgram, "light.diffuse"), 1, glm::value_ptr(diffuseColor));
glUniform3f(glGetUniformLocation(shaderProgram, "light.specular"), 1.0f, 1.0f, 1.0f);

源码

贴图

有了材质属性，讨论了不同材质对光的反射能力，但它只适用于简单的物体。

对于复杂的物体，比如一辆车，有不同的组成部分，如果继续用材质一个个设置，显然不是特别高效。

漫反射贴图

在光照场景中，对于漫反射贴图diffuse maps, 我们希望对于不同的坐标，能够返回不同的漫反射diffuse值。听起来和纹理差不多。

虽然与纹理原理一致，但是我们使用不同的命名贴图，用一张图片包裹物体，这样便能够在不同的位置获取fragment颜色值。它是一个表现了物体所有的漫反射颜色分量的贴图。

与纹理使用方法一致，在材质中定义sampler2D如下:

// sampler2D是一个抽象类型，只能定义成uniform, 如果struct中包含sampler2D，整个struct也只能定义成uniform
struct Material {
    sampler2D diffuse;
    vec3      specular;
    float     shininess;
};
in vec2 TexCoords;

由于ambiant和diffuse应该是一致的，所以ambiant也省略。但如果不一致，可以单独设置。

vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
...
vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));  

接下来需要更改vetex，添加纹理值，加载纹理

float vertices[] = {
    // positions          // normals           // texture coords
    -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,  0.0f, 0.0f,
     0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,  1.0f, 0.0f,
     0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,  1.0f, 1.0f,
     0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,  1.0f, 1.0f,
    -0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,  0.0f, 1.0f,
    -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,  0.0f, 0.0f,
    
    ...x6
};

...
glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(6 * sizeof(float)));
glEnableVertexAttribArray(2);

绘制结果

镜面光贴图

镜面光贴图与上面不大一样，主要是因为木头基本不反光，只有周围的金属条反光。

我们需要一个黑白的(如果你想得话也可以是彩色的)贴图，来定义物体每部分的镜面光强度。

黑色=0, 灰色=0.5, 白色=1，然后用这个强度来设置镜面光强度。

使用Photoshop或Gimp之类的工具，将漫反射纹理转换为镜面光纹理还是比较容易的，只需要剪切掉中间部分，将图像转换为黑白的，并增加亮度/对比度就好了。

从新定义材质如下：

struct Material {
    sampler2D diffuse;
    sampler2D specular;
    float     shininess;
}; 

将对应的specular部分改成使用贴图

vec3 ambient  = light.ambient  * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
vec3 diffuse  = light.diffuse  * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));  
vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));
FragColor = vec4(ambient + diffuse + specular, 1.0);   

可以给镜面光贴图设置颜色，这样不仅有镜面光强度还有镜面光颜色，但从现实角度来说，镜面光大部分(甚至全部)都来自于光源，所以设置颜色会有不真实的效果，这也是为什么贴图通常是黑白的

放射光贴图

放射光贴图，通常是游戏里面的效果，物体本身会发光，就可以忽略光源的影响

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漫反射贴图

镜面光贴图

放射光贴图

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