QT+OpenGL高级光照 Blinn-Phong和Gamma校正

QT+OpenGL高级光照1

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Blinn-Phong

• 冯氏光照：视线与反射方向之间的夹角不小于90度，镜面光分量会变成0.0（不是很合理，会有清晰的分界线）

• Blinn-Phone模型采用了半程向量，即光线与视线夹角一般方向上的一个单位向量。当半程向量与法线向量越接近，镜面光分量就越大。

半程向量公式如下：
$$\vec{H}=\frac{\vec{L}+\vec{V}}{||\vec{L}+\vec{V}||}$$

vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
vec3 halfWayDir = normalize(lightDir + viewDir);
......
float spec = pow(max(dot(normal halfWayDir), 0.0), shininess)
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效果图：冯氏光照

Gammar校正

• 阴极射线管显示器（CRT）：输入电压翻倍与亮度提高的关系是与Gammar次方相关
  • 设备输入亮度 = 电压的Gamma次幂
• 这正好与人眼的感知是类似（相反）的

对于CRT,Gamma通常为2.2

人眼对黑夜的环境更加敏感（把更多的精度分配给了低灰度）

点线：线性的理想情况， Gamma为1

实线：CRT的实际情况，Gamma为2.2

（0.5,0.0,0.0）*2 = （1.0, 0.0，0.0）

对于CRT来说，实际上亮度提高了： 1 / 0.218 约等于 4.587

所以到目前位置，我们之前配置的颜色和光照变量从物理角度来看都是不正确的

• 由于颜色是基于显示器的输出进行配置的，因此线性空间中的所有中间值计算在物理上都是不正确的。随着更先进的照明算法的加入，这一点变得更加明显

有两种方法可以将gamma校正应用于场景：

• 通过使用OpenGL内置的sRGB帧缓冲支持（glEnable(GL_FRAMEBUFFER_SRGB)）

• 通过自己在片段着色器中执行gamma校正

float gamma = 2.2;
FragColor.rgb = pow(fragColor.rgb, vec3(1.0/gamma));
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sRGB(standard Red GreenBlue)

微软联合HP、三菱、爱普生等厂商联合开发的通用色彩标准

• Gamma值为2.2的颜色空间称为sRGB颜色空间（不是100%精确，但是接近）。每个监视器都有自己的Gamma曲线， Gamma值为2.2时候在大多数监视器上显示良好。游戏通常允许玩家更改游戏的Gamma值，因为每个显示器的Gamma设置略有不同。
• 由于监视器显示应用了Gamma的颜色，因此创建或编辑的所有图片都不是在线性空间中，而是在sRGB空间中。

纹理在sRGB空间创建和展示，在sRGB空间中使用，不必关心gamma校正纹理，显示也没问题。然而，如果把所有的东西都放在线性空间中展示，纹理颜色就会出现问题。

实际上进行了两次Gamma校正！

• 基于显示器看到的情况创建一个图像，我们就已经对颜色进行了Gamma校正
• 代码又进行了一次Gamma校正

sRGB代码实现

为了解决重复校正的问题，把这些sRGB纹理在在进行任何颜色值的计算之前变回线性空间：

float gamma = 2.2;
vec3 diffuseColor = pow(texture(diffuse, texCoords).rgb, vec3(gamma));
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或者通过OpenGL，自动把颜色校正到线性空间中

glTexImage2D(GL_TEXTURE2D, 0, GL_SRGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
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如果在纹理中引入了alpha元素，必须将纹理的内部格式指定为GL_SRGB_ALPHA

不是所有的纹理都是在sRGB空间中，当把纹理转换成sRGB时要格外小心：

• 比如diffuse纹理，这种为物体上色的纹理几乎都是在sRGB空间中的
• 像specular贴图和法线贴图几乎都是在线性空间中

QImage image(":/resources/wall.jpg");
specular_texture_ = new QOpenGLTexture(QOpenGLTexture::Target2D);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, specular_texture_->textureId());
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, GL_SRGB, image.width(), image.height(), 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, image.bits());
glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
    
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衰减

在真正的物理世界，光线的衰减与距离的平方成反比：

float attenuation = 1.0 / (distance * distance);
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但是当距离小的时候，上面的公式效果会很不对劲，用下面的公式会更好：

float attenuation = 1.0 / distance;
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所以以前一直使用下面的公式：
$$F_{att}=\frac{1.0}{K_c+K_l\ast d+K_q\ast d^2}$$

#version 330 core

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

struct Light {
    vec3 pos;
    vec3 ambient;
    vec3 diffuse;
    vec3 specular;
};
uniform Light light;

uniform bool gamma;

out vec4 FragColor;

in vec2 TexCoords;
in vec3 Normal;
in vec3 FragPos;

uniform vec3 viewPos;
vec3 BlinnPhong(vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 lightPos, vec3 lightColor) {

    // diffuse
    vec3 lightDir = normalize(lightPos - fragPos);
    float diff = max(dot(lightDir, normal), 0.0);
    vec3 diffuse = diff * lightColor;
    // specular
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - fragPos);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float spec = 0.0;
    vec3 halfwayDir = normalize(lightDir + viewDir);
    spec = pow(max(dot(normal, halfwayDir), 0.0), 64.0);
    vec3 specular = spec * lightColor;
    // simple attenuation
    float max_distance = 1.5;
    float distance = length(lightPos - fragPos);
    float attenuation = 1.0 / (gamma ? distance * distance : distance);
    diffuse *= attenuation;
    specular *= attenuation;
    return diffuse + specular;
}

void main() {
    vec3 diffuseTexColor=vec3(texture(material.diffuse,TexCoords));
    vec3 ambient=light.ambient;
    //........
    //if(gamma) diffuseTexColor = pow(diffuseTexColor, vec3(1.0/2.2));
    vec3 norm = normalize(Normal);

    vec3 result ;
    for(int i = -2; i < 2; ++i){
        vec3 lightColor=(2-i)*vec3(0.25);
        result+= BlinnPhong(norm,FragPos,light.pos+i*vec3(2,0.0,0.0),lightColor);
    }
    if(gamma)
    ambient=pow(ambient, vec3(2.2));
    result+=ambient;
    result*=diffuseTexColor*result;
    if(gamma) result = pow(result, vec3(1.0/2.2));
    if(gl_FrontFacing==false)
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}
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