本节书摘来自异步社区《OpenGL ES 2.0游戏开发（上卷）：基础技术和典型案例》一书中的第6章，第6.5节光照的每顶点计算与每片元计算，作者 吴亚峰，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看
6.5 光照的每顶点计算与每片元计算
OpenGL ES 2.0游戏开发（上卷）：基础技术和典型案例
细心的读者会发现，本章前面的案例都是在顶点着色器中进行光照计算的。这是由于在顶点着色器中对每个顶点进行光照计算后得到顶点的最终光照强度，再由管线插值后传入片元着色器以计算片元的颜色，这样一方面效率比较高；另一方面产生的光照效果也不错。
但由于这种计算方式插值的是基于顶点计算后的光照强度，因此在要求很高，希望有非常细腻光照效果的场合下就略显粗糙了。本节将介绍另一种光照计算方式，其首先将插值后的法向量数据传入片元着色器，然后在片元着色器中进行光照计算。这种新的方式也称为每片元光照，可以取得为更细腻的光照效果。
进行案例开发之前需要首先了解一下本节两个案例（Sample6_9和Sample6_10)的运行效果，具体情况如图6-21所示。
图6-21中左侧是每片元计算一次光照的案例Sample6_9的运行效果，右侧是每顶点计算一次光照的案例Sample6_10的运行效果。从两幅图的对比中可以看出，每片元执行一次光照使过渡更平滑，没有明显的边缘。另外，仅从图上观察可能区别还不是很明显，笔者建议读者用真机运行一下两个案例，将光源设置在不同的位置观察比较，区别会更明显。
了解了两个案例的运行效果后，就可以进行开发了。实际上这两个案例主要是将前面6.2.5小节中的案例Sample6_5复制并修改了部分代码而成的。其中Sample6_10仅修改了Java代码中切割球面的角度以及绘制球体的次数，没有本质变化，这里不再赘述，需要的读者请参考随书光盘中的源代码。
而案例Sample6_9除了也进行了Sample6_10的Java代码改动外，还大面积修改了顶点着色器与片元着色器，具体情况如下所列。
（1）首先介绍Sample6_9中修改后的顶点着色器，其具体代码如下。
1 uniform mat4 uMVPMatrix; //总变换矩阵
2 attribute vec3 aPosition; //顶点位置
3 attribute vec3 aNormal; //法向量
4 varying vec3 vPosition; //用于传递给片元着色器的顶点位置
5 varying vec3 vNormal; //用于传递给片元着色器的法向量
6 void main(){
7 gl_Position = uMVPMatrix * vec4(aPosition,1);//根据总变换矩阵计算此次绘制此顶点位置
8 vPosition = aPosition; //将顶点的位置传给片元着色器
9 vNormal = aNormal; //将法向量传给片元着色器
10 }从上述代码中可以看出，顶点着色器比改动前简单多了，没有了计算光照的大量代码，同时增加了将法向量通过易变变量传入片元着色器的代码。
（2）介绍完顶点着色器后，接着就应该介绍改动后的片元着色器了，其具体代码如下。
1 precision mediump float; //给出默认浮点精度
2 uniform float uR; //球的半径
3 uniform vec3 uLightLocation; //光源位置
4 uniform mat4 uMMatrix; //变换矩阵
5 uniform vec3 uCamera; //摄像机位置
6 varying vec3 vPosition; //接收从顶点着色器传递过来的顶点位置
7 varying vec3 vNormal; //接收从顶点着色器传递过来的法向量
8 void pointLight( //定位光光照计算的方法
9 in vec3 normal, //法向量
10 inout vec4 ambient, //环境光最终强度
11 inout vec4 diffuse, //散射光最终强度
12 inout vec4 specular, //镜面光最终强度
13 in vec3 lightLocation, //光源位置
14 in vec4 lightAmbient, //环境光强度
15 in vec4 lightDiffuse, //散射光强度
16 in vec4 lightSpecular //镜面光强度
17 ){
18 ambient=lightAmbient; //直接得出环境光的最终强度
19 vec3 normalTarget=vPosition+normal; //计算变换后的法向量
20 vec3 newNormal=(uMMatrix*vec4(normalTarget,1)).xyz-(uMMatrix*vec4(vPosition,1)).xyz;
21 newNormal=normalize(newNormal); //对法向量规格化
22 //计算从表面点到摄像机的向量
23 vec3 eye= normalize(uCamera-(uMMatrix*vec4(vPosition,1)).xyz);
24 //计算从表面点到光源位置的向量vp
25 vec3 vp= normalize(lightLocation-(uMMatrix*vec4(vPosition,1)).xyz);
26 vp=normalize(vp);//格式化vp
27 vec3 halfVector=normalize(vp+eye); //求视线与光线的半向量
28 float shininess=50.0; //粗糙度，越小越光滑
29 float nDotViewPosition=max(0.0,dot(newNormal,vp));//求法向量与vp的点积与0的最大值
30 diffuse=lightDiffuse*nDotViewPosition; //计算散射光的最终强度
31 float nDotViewHalfVector=dot(newNormal,halfVector); //法线与半向量的点积
32 float powerFactor=max(0.0,pow(nDotViewHalfVector,shininess));//镜面反射光强度因子
33 specular=lightSpecular*powerFactor; //计算镜面光的最终强度
34 }
35 void main() {
36 ……//此处省略了计算片元颜色值的代码，请读者自行查看随书光盘中的源代码
37 vec4 ambient,diffuse,specular; //用来接收3个通道最终强度的变量
38 pointLight(normalize(vNormal),ambient,diffuse,specular,uLightLocation, //计算定位光各通道强度
39 vec4(0.15,0.15,0.15,1.0),vec4(0.8,0.8,0.8,1.0),vec4(0.7,0.7,0.7,1.0));
40 //综合3个通道光的最终强度及片元的颜色计算出最终片元的颜色并传递给管线
41 gl_FragColor=finalColor*ambient + finalColor*diffuse + finalColor*specular;
42 }读者应该发现，上述片元着色器中的很多代码都是本章前面案例中多次出现过的，只不过前面的案例中都是在顶点着色器中出现，而这里挪到了片元着色器中。因此，每片元计算光照与每顶点计算光照算法并没有本质区别，只是代码执行的位置不同、效果与效率不同而已。实际开发中读者应该权衡速度、效果的要求，选用合适的计算策略。
