此文上接WebGL 三维点光源, 如果没读建议从那里开始。
在上篇文章中我们讲到点光源,计算光源到物体表面每一点的方向,然后做与 方向光相同的运算, 也就是对光线方向和表面法向量(表面面对的方向)做点乘运算。 如果两个方向完全相同就会得到 1,应该被完全照亮。 如果两个方向垂直会得到 0,相反会得到 -1。我们直接将这个值和表面的颜色相乘, 实现光照效果。
聚光灯只是做了少量修改,事实上如果你比较有创新能力的话,可能会根据之前学的东西知道聚光灯的实现方法。
你可以把点光源想象成一个点,光线从那个点照向所有方向。 实现聚光灯只需要以那个点为起点选择一个方向,作为聚光灯的方向, 然后将其他光线方向与所选方向点乘,然后随意选择一个限定范围, 然后判断光线是否在限定范围内,如果不在就不照亮。
在上方的图示中我们开一看到光线照向所有的方向,并且将每个方向的点乘结果显示在上面。 然后指定一个方向方向表示聚光灯的方向,选择一个限定(上方以度为单位)。 通过限定我们计算一个点乘限定,只需对限定值取余弦就可以得到。如果与选定聚光灯方向的点乘大于这个点乘限定,就照亮,否则不照亮。
换一种方式解释,假设限定是 20 度,我们可以将它转换为弧度,然后取余弦值得到 -1 到 1 之间的数, 暂且把它称作点乘空间。或者可以用这个表格表示限定值的转换。
            限制值
   角度   |   弧度  | 点乘空间
 --------+---------+----------
    0    |   0.0   |    1.0
    22   |    .38  |     .93
    45   |    .79  |     .71
    67   |   1.17  |     .39
    90   |   1.57  |    0.0
   180   |   3.14  |   -1.0
我们可以只需判断
dotFromDirection = dot(surfaceToLight, -lightDirection)
if (dotFromDirection >= limitInDotSpace) {
   // 使用光照
}
让我们来实现它。
首先修改上文的片断着色器。
#version 300 es
precision highp float;
// 从顶点着色器传入的值
in vec3 v_normal;
in vec3 v_surfaceToLight;
in vec3 v_surfaceToView;
uniform vec4 u_color;
uniform float u_shininess;
+uniform vec3 u_lightDirection;
+uniform float u_limit;          // 在点乘空间中
// 定义一个传递到片段着色器的颜色变量
out vec4 outColor;
void main() {
  // 由于 v_normal 是可变量,所以经过插值后不再是单位向量,
  // 单位化后会成为单位向量
  vec3 normal = normalize(v_normal);
  vec3 surfaceToLightDirection = normalize(v_surfaceToLight);
  vec3 surfaceToViewDirection = normalize(v_surfaceToView);
  vec3 halfVector = normalize(surfaceToLightDirection + surfaceToViewDirection);
-  float light = dot(normal, surfaceToLightDirection);
+  float light = 0.0;
  float specular = 0.0;
+  float dotFromDirection = dot(surfaceToLightDirection,
+                               -u_lightDirection);
+  if (dotFromDirection >= u_limit) {
*    light = dot(normal, surfaceToLightDirection);
*    if (light > 0.0) {
*      specular = pow(dot(normal, halfVector), u_shininess);
*    }
+  }
  outColor = u_color;
  // 只将颜色部分(不包含 alpha) 和光照相乘
  outColor.rgb *= light;
  // 直接加上高光
  outColor.rgb += specular;
}
当然我们需要找到刚才添加的全局变量的位置。
  var lightDirection = [?, ?, ?];
  var limit = degToRad(20);
  ...
  var lightDirectionLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_lightDirection");
  var limitLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_limit");
然后设置它们
gl.uniform3fv(lightDirectionLocation, lightDirection)
gl.uniform1f(limitLocation, Math.cos(limit))
这是结果
一些需要注意的细节:一个是我们在上方对 u_lightDirection 取负,
这其实是 一个是六个, 另一个是半打
等价的选择,我们希望两个方向匹配的时候能指向相同的方向,
也就是需要将 surfaceToLightDirection 和聚光灯的反方向相比,
我们可以用很多种方式实现这个。可以在设置全局变量时传入反方向,
那可能是我的首选,但是我觉得那样应该叫做 u_reverseLightDirection 或 u_negativeLightDirection
而不是 u_lightDirection。
另一件事,也许这个只是个人习惯,如果可能的话我尽量不在着色器中使用条件语句, 原因是我认为着色器并不是真的使用条件语句,如果你在着色器中使用着色器, 编译器会在代码中扩展很多 0 和 1 的乘法运算来实现,所以这里并不是真的条件语句, 它会将你的代码扩展成多种组合。我不确定现在是否还是这样,但是我们可以使用一些技巧来避免这种情况, 你自己可以选择用或不用。
有一个 GLSL 函数叫做 step,它获取两个值,如果第二个值大于或等于第一个值就返回 1.0,
否则返回 0。用 JavaScript 大概可以这样表示。
function step(a, b) {
   if (b >= a) {
       return 1;
   } else {
       return 0;
   }
}
让我们使用 step 避免这种情况
  float dotFromDirection = dot(surfaceToLightDirection,
                               -u_lightDirection);
  // inLight will be 1 if we're inside the spotlight and 0 if not
  float inLight = step(u_limit, dotFromDirection);
  float light = inLight * dot(normal, surfaceToLightDirection);
  float specular = inLight * pow(dot(normal, halfVector), u_shininess);
看起来没有什么区别,这是结果
还有一件事,现在的聚光灯效果非常粗糙和僵硬。只有在聚光灯范围内或外, 在外面就直接变黑,没有任何过渡。
要修正它我们可以使用两个限定值代替原来的一个, 一个内部限定一个外部限定。如果在内部限定内就使用 1.0, 在外部限定外面就使用 0.0,在内部和外部限定之间就使用 1.0 到 0.0 之间的插值。
这是我们实现这个的一种方式
-uniform float u_limit;          // 在点乘空间中
+uniform float u_innerLimit;     // 在点乘空间中
+uniform float u_outerLimit;     // 在点乘空间中
...
  float dotFromDirection = dot(surfaceToLightDirection,
                               -u_lightDirection);
-  float inLight = step(u_limit, dotFromDirection);
+  float limitRange = u_innerLimit - u_outerLimit;
+  float inLight = clamp((dotFromDirection - u_outerLimit) / limitRange, 0.0, 1.0);
  float light = inLight * dot(normal, surfaceToLightDirection);
  float specular = inLight * pow(dot(normal, halfVector), u_shininess);
这样就行了
现在我们得到了聚光灯的效果。
需要注意的事如果 u_innerLimit 和 u_outerLimit相等那么 limitRange
就会是 0.0 。除以 0 就会导致 undefined。这在着色器中没有什么解决办法,
所以只需要在 JavaScript 中确保 u_innerLimit 和 u_outerLimit 永远不要相等。
(注意:示例代码中并没有做这个。)
GLSL 也有一个函数可以稍微做一些简化,叫做 smoothstep,和 step 相似返回一个 0 到 1
之间的值,但是它获取最大和最小边界值,返回该值在边界范围映射到 0 到 1 之间的插值。
 smoothstep(lowerBound, upperBound, value)
让我们来实现它
  float dotFromDirection = dot(surfaceToLightDirection,
                               -u_lightDirection);
-  float limitRange = u_innerLimit - u_outerLimit;
-  float inLight = clamp((dotFromDirection - u_outerLimit) / limitRange, 0.0, 1.0);
  float inLight = smoothstep(u_outerLimit, u_innerLimit, dotFromDirection);
  float light = inLight * dot(normal, surfaceToLightDirection);
  float specular = inLight * pow(dot(normal, halfVector), u_shininess);
这样也可以
不同之处是 smoothstep 使用 Hermite 插值而不是线型插值,
也就是说 lowerBound 和 upperBound 之间的值插值后像下方右图所示,
线型插值是左图。
 
如果你觉得没什么关系的话,使用什么取决于你自己。
还有一件事就是注意当 lowerBound 大于或等于 upperBound 时 smoothstep
方法会产生 undefined。它们值相等和志强的情况一样,多出的问题是 lowerBound 大于
upperBound 时,但是对于正常的聚光灯这种情况永远不会出现。