光源分析

按照对现实世界的模拟，我们一般可以将光源分为以下的几种：

• 点光源，
• 面光源，
• 定向光，
• 聚光灯，
• 环境光。

1）点光源

点光源的原型是灯泡，我们将其模拟成一个点。它向他的四周发射光线。而且这个光线的强度还会随着距离的增加而减弱。因此，对于一个点光源，它有如下的属性

struct Light {
    vec3 position;    // 光源的位置
	vec3 color;       // 光源的颜色
	float Intensity   // 光的强度

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;

    float constant;   // 常数衰减项
    float linear;     // 一次衰减项
    float quadratic;  // 二次衰减项
};

光线的衰减：
一般情况下，我们都用一个二次多项式来计算光线的衰减

float distance    = length(light.position - FragPos);
float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * (distance * distance));

2）定向光

定向光模拟的是太阳光，因为光源的位置足够远，因此所有的光线均是平行光，因此他不需要定义位置信息，只需要给定方向。同时定向光不存在衰减问题。

struct Light {
    vec3 direction;    // 光源的位置
	vec3 color;        // 光源的颜色
	float Intensity    // 光的强度

    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};

3）聚光灯

聚光灯是原型是手电筒，如下图所示。只有再这个切角范围内的物体才能被照亮，而在这个角度外的则照不到。

struct Light {
    vec3 position;    // 光源的位置
	vec3 direction;   // 光源的方向
	vec3 color;       // 光源的颜色
	float Intensity   // 光的强度
	
    float cutOff;     // 内切光角
    float outerCutOff;    // 外切光角
  
    float constant;   // 常数衰减项
    float linear;     // 一次衰减项
    float quadratic;  // 二次衰减项
  
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular; 
};

聚光灯的光照计算如下所示：

float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));

if(theta > light.cutOff) 
{       
  // 执行光照计算
}
else  // 否则，使用环境光，让场景在聚光之外时不至于完全黑暗
  color = vec4(light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords)), 1.0);
}

聚光灯还有两个特殊的属性，即cutOff，outerCutOff。cutOff表示的是上面图中的切角，而outerCutOff则是为了平滑边缘，因为从照亮到完全黑暗是需要一个过渡的，这样才不突兀。

这个平滑过程如下：

float theta     = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
float epsilon   = light.cutOff - light.outerCutOff;
float intensity = clamp((theta - light.outerCutOff) / epsilon, 0.0, 1.0);

4）面光源

面光源大多数用在光线追踪的场景里面。实际上面光源定义的是一个面积，这个面积的每个点都是一个点光源。在实际应用中，实际上是在面光源中采样使用。

5）环境光

实际上外部环境也要对物体产生光照影响，尤其是当我们使用天空盒的时候，天空盒的颜色也可以看做是环境光，这对物体也是由影响的。

参考资料：
https://learnopengl-cn.github.io/02%20Lighting/01%20Colors/