LearnOpenGL note - Lighting：Lighting maps | 陶浩然的博客

0 前言

本节笔记对应的内容为光照贴图，部分内容参考自傅老師/OpenGL教學第二章。
上一节光照03-Lighting：Materials中，我们认识了材质的概念并封装了对应的类。
在上一节中，我们将整个物体的材质定义为一个整体，但现实世界中的物体通常并不只包含有一种材质，而是由多种材质所组成。想想一辆汽车：它的外壳非常有光泽，车窗会部分反射周围的环境，轮胎不会那么有光泽，所以它没有镜面高光，轮毂非常闪亮（如果你洗车了的话）。汽车同样会有漫反射和环境光颜色，它们在整个物体上也不会是一样的，汽车有着许多种不同的环境光/漫反射颜色。总之，这样的物体在不同的部件上都有不同的材质属性。
所以，上一节中的那个材质系统是肯定不够的，它只是一个最简单的模型，所以我们需要拓展之前的系统，引入漫反射和镜面光贴图(Map)。

1 Diffuse maps

我们希望通过某种方式对物体的每个片段单独设置漫反射颜色。有能够让我们根据片段在物体上的位置来获取颜色值得系统吗？
有，一个纹理。我们仅仅是对同样的原理使用了不同的名字：其实都是使用一张覆盖物体的图像，让我们能够逐片段索引其独立的颜色值。在光照场景中，它通常叫做一个漫反射贴图(Diffuse Map)（3D艺术家通常都这么叫它），它是一个表现了物体所有的漫反射颜色的纹理图像。

为了演示漫反射贴图，我们将会使用一个有钢边框的木箱的图片作为纹理。
在着色器中使用漫反射贴图的方法和纹理教程中是完全一样的。但这次我们会将纹理储存为Material结构体中的一个sampler2D。我们将之前定义的vec3漫反射颜色向量替换为漫反射贴图。

注意sampler2D是所谓的不透明类型(Opaque Type)，也就是说我们不能将它实例化，只能通过uniform来定义它。如果我们使用除uniform以外的方法（比如函数的参数）实例化这个结构体，GLSL会抛出一些奇怪的错误。这同样也适用于任何封装了不透明类型的结构体。

in vec2 TexCoord;
struct Material {
    vec3 ambient;
    sampler2D diffuse;
    vec3 specular;
    float shininess;
}; 
......
vec3 diffuse = texture(material.diffuse, TexCoord).rgb *
                 max(dot(lightDir, Normal), 0) * lightColor;

不要忘记将环境光得材质颜色设置为漫反射材质颜色同样的值。

  vec3 ambient = texture(material.diffuse, TexCoord).rgb * ambientColor;

更新后的顶点数据可以在这里找到。顶点数据现在包含了顶点位置、法向量和立方体顶点处的纹理坐标。让我们更新顶点着色器来以顶点属性的形式接受纹理坐标，并将它们传递到片段着色器中：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoords;
...
out vec2 TexCoords;

void main()
{
    ...
    TexCoords = aTexCoords;
}

material.h文件中

unsigned int diffuse;
......
Material(Shader* _shader, unsigned int _diffuse, glm::vec3 _specular, glm::vec3 _ambient, float _shininess);

material.cpp中_diffuse也改成unsigned int，并且导入material

Material* myMaterial = new Material(myShader,
 loadImageToGPU("container2.png", GL_RGBA, GL_RGBA, 0), 
 glm::vec3(1.0f, 1.0f, 1.0f),
 glm::vec3(1.0f, 1.0f, 1.0f),
 32.0f);

为了设置uniform，我们在shader类中新增一个方法

void Shader::SetUniform1i(const char * paraNameString, int slot)
{
 glUniform1i(glGetUniformLocation(ID, paraNameString), slot);
}

回到main中加入uniform，该槽位与纹理引入部分槽位一致。

myMaterial->shader->SetUniform1i("material.diffuse", 0);

运行结果如下

result1

2 Specular maps

你可能会注意到，镜面高光看起来有些奇怪，因为我们的物体大部分都是木头，我们知道木头不应该有这么强的镜面高光的。所以，我们想要让物体的某些部分以不同的强度显示镜面高光。
我们同样可以使用一个专门用于镜面高光的纹理贴图。这也就意味着我们需要生成一个黑白的（较彩色纹理节省内存，颜色可由lightColor决定）纹理，来定义物体每部分的镜面光强度。下面是一个镜面光贴图(Specular Map)的例子：
container2_specular 镜面高光的强度可以通过图像每个像素的亮度来获取。镜面光贴图上的每个像素都可以由一个颜色向量来表示，比如说黑色代表颜色向量vec3(0.0)，灰色代表颜色向量vec3(0.5)。在片段着色器中，我们接下来会取样对应的颜色值并将它乘以光源的镜面强度。一个像素越「白」，乘积就会越大，物体的镜面光分量就会越亮。
由于箱子大部分都由木头所组成，而且木头材质应该没有镜面高光，所以漫反射纹理的整个木头部分全部都转换成了黑色。箱子钢制边框的镜面光强度是有细微变化的。

按照上面改diffuse的方法把specular改成sample2D类型的在material的h与cpp文件改一下specular的类型在片元着色器内的结构体部分改一下，因为坐标都一样，就用漫反射贴图的坐标就好

struct Material {
  vec3 ambient;
  sampler2D diffuse;
  sampler2D specular;
  float shininess;
};

vec3 specular =
      texture(material.specular, TexCoord).rgb * specularAmount * lightColor;

在main中载入两张纹理图片，并在loop中绑定材质：

Material *myMaterial = new Material(testShader, 
loadImageToGPU("container2.png", GL_RGBA, GL_RGBA, Shader::DIFFUSE), 
loadImageToGPU("container2_specular.png", GL_RGBA, GL_RGBA, Shader::SPECULAR), glm::vec3(1.0f, 1.0f, 1.0f), 32.0f);

// Set Material -> Textures
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, myMaterial->diffuse);
glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, myMaterial->specular);

myMaterial->shader->SetUniform1i("material.specular", 1);

运行后可以看到高光只在边框上存在了

result

通过使用漫反射和镜面光贴图，我们可以给相对简单的物体添加大量的细节。我们甚至可以使用法线/凹凸贴图(Normal/Bump Map)或者反射贴图(Reflection Map)给物体添加更多的细节，但这些将会留到之后的教程中。

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