10-光照基础：Lambert/Phong/Blinn-Phong 与能量直觉¶
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目标¶
- 写出一个“能看出立体感”的最小光照（漫反射 + 高光）
- 搞清楚光照计算的空间选择：世界空间 vs 视图空间
- 建立能量直觉：为什么光照看起来“太亮/太灰/太塑料”
先决条件¶
1. 光照最小闭环：你需要哪些输入¶
要在 fragment 里算光，你至少要有：
- 表面位置
pos - 表面法线
normal - 相机位置
camPos - 光源信息（方向光或点光）
- 材质参数（颜色、粗糙程度/高光强度等）
为了减少变量，本章先用点光：
lightPos：光源位置lightColor：光颜色/强度
2. 选一个空间：建议用世界空间（入门更直观）¶
你有两个常见选择：
- 在世界空间做光照：vertex 输出世界空间
vWorldPos、vWorldNormal - 在视图空间做光照：把一切都变换到相机空间
本章建议世界空间：直觉更强，调试时也更容易打印/理解。
3. Vertex Shader：输出世界位置与世界法线¶
核心点：
- 位置：
worldPos = model * localPos - 法线：如果存在非均匀缩放，需要用“法线矩阵”（inverse transpose）
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
uniform mat4 uModel;
uniform mat4 uView;
uniform mat4 uProj;
out vec3 vWorldPos;
out vec3 vWorldNormal;
void main()
{
vec4 worldPos = uModel * vec4(aPos, 1.0);
vWorldPos = worldPos.xyz;
mat3 normalMat = transpose(inverse(mat3(uModel)));
vWorldNormal = normalize(normalMat * aNormal);
gl_Position = uProj * uView * worldPos;
}
如果你暂时保证 model 不做非均匀缩放，mat3(uModel) * aNormal 也能先跑通，但建议尽早养成正确习惯。
4. Fragment Shader：Lambert + Blinn-Phong¶
4.1 漫反射（Lambert）¶
直觉：光打在面上，亮度取决于夹角。
4.2 高光（Blinn-Phong）¶
Blinn-Phong 用半程向量 H = normalize(L + V)：
组合：
#version 330 core
in vec3 vWorldPos;
in vec3 vWorldNormal;
out vec4 FragColor;
uniform vec3 uCamPos;
uniform vec3 uLightPos;
uniform vec3 uLightColor;
uniform vec3 uAlbedo;
uniform float uAmbient; // 0.0~0.2
uniform float uSpecStrength; // 0.0~1.0
uniform float uShininess; // 8~128
void main()
{
vec3 N = normalize(vWorldNormal);
vec3 L = normalize(uLightPos - vWorldPos);
vec3 V = normalize(uCamPos - vWorldPos);
vec3 H = normalize(L + V);
float NdotL = max(dot(N, L), 0.0);
vec3 diffuse = uAlbedo * uLightColor * NdotL;
float spec = pow(max(dot(N, H), 0.0), uShininess);
vec3 specular = uLightColor * (uSpecStrength * spec);
vec3 ambient = uAlbedo * uAmbient;
vec3 color = ambient + diffuse + specular;
FragColor = vec4(color, 1.0);
}
5. 能量直觉：为什么会“太亮/太塑料”¶
当你把 ambient + diffuse + specular 直接相加时，很容易出现：
- 亮部过曝（因为你在把能量越加越多）
- 高光像“白色贴片”（shininess/specStrength 不合理）
入门阶段的工程口径：
- 先让光照参数可调（GUI 以后再做，先用键盘/配置）
- 先把
ambient控制得很小（0.02~0.1） specStrength不要上来就 1.0- 观察“视角变化”对高光的影响是否符合直觉
等你做到 HDR/色调映射，再系统解决“亮度范围”与“能量守恒”。
常见坑¶
- 法线没归一化：亮度会怪，尤其是插值后法线长度不再是 1
- 空间混用：位置在世界空间、法线在模型空间，结果必错
- 非均匀缩放没用法线矩阵：光照会“像歪了”
- 光源距离没处理：点光如果不做衰减，远近看起来不真实（下一步再加）
小练习¶
练习 1：加点光衰减¶
- 题目：按距离做衰减（例如
1/(a + b*d + c*d^2)） - 目标：让光更像真实世界，训练参数调试能力
练习 2：把法线可视化作为 debug 模式¶
- 题目：按键切换：正常光照 vs
normal*0.5+0.5 - 目标：让数据问题变得“可见”
小结¶
- 光照计算的核心输入：位置、法线、相机、光源、材质
- 先统一空间再算光（本章用世界空间）
- Lambert + Blinn-Phong 足够让你进入“真实渲染的调参世界”