XNA Shader编程教程2－漫反射光照

这次我们要在教程1的基础上通过实现漫反射光照（又称为“位置光照模型positional lighting model”）让光照方程变得更有趣点。

漫反射光照

环境光满足下列公式：

I = Aintensity * Acolor

漫反射光的公式以此为基础，在方程中添加了一个定向光：

I = Aintensity*Acolor + Dintensity*Dcolor *N.L

从这个公式可以看到我们仍然使用环境光，但需要额外两个变量描述漫反射的的颜色和强度，两个向量N描述表面的法线，L描述光线的方向。我们可以将漫反射光线作为表示表面反射光线的多少。

光线反射的强度随着N和L夹角的变小而变得更强。如果L与N平行则反射最强烈，如果L平行于表面，则反射最弱。

要计算L和N的夹角，我们可以使用点乘或标量乘积。这条规则可用来计算给定两个向量间的夹角，可以定义如下：

N.L = |N| * |L| * cos(a)

（译者注：这个公式实际上是Lambert定理的简化形式，若归一化N和L，则这个公式可简化为N.L＝cos(a)）

这里|N|是向量N的长度，|L|是向量L的长度，cos(a)是两个向量之间夹角的余弦。

实现shader

我们需要三个全局变量：

float4x4 matWorldViewProj ;
float4x4 matInverseWorld ;
float4 vLightDirection ;

我们仍然要教程1中的worldviewprojection矩阵，但除此之外，我们还需要InverseWorld矩阵计算出与世界矩阵相关的正确法线，而vLightDirection表示光线的方向。我们还需要在vertex shader中定义OUT结构，这样才能在pixel shader中获得正确的光线方向：

struct OUT
{
    float4 Pos: POSITION;
    float3 L: TEXCOORD0;
    float3 N: TEXCOORD1;
};

这里定义了位置Pos，光线方向L和法线方向N存储在不同的寄存器中。TEXCOORDn可用于任何值，现在我们还没有使用任何纹理坐标，所以我们可以用这些寄存器储存这两个向量。

OK，现在处理vertex shader：

OUT VertexShader( float4 Pos: POSITION, float3 N: NORMAL )
{ 
    OUT Out = (OUT) 0;
    Out.Pos = mul(Pos, matWorldViewProj);
    Out.L = normalize(vLightDirection);
    Out.N = normalize(mul(matInverseWorld, N));
    return Out;
}

我们从模型文件获取位置和法线并通过它们传递到shader。根据这些值和全局变量我们可以转换位置，法线和光线方向，并转换和归一化表面的法线。

然后，在Pixel Shader中获取TEXCOORD0中的的值并把它放在L中，TEXCOORD1中的值放入N。这些寄存器的数据是由vertex shader添加的。然后，我们在pixel shader执行上面的漫反射方程：

float4 PixelShader(float3 L: TEXCOORD0, float3 N: TEXCOORD1) : COLOR 
{
   float Ai = 0.8f;
   float4 Ac = float4(0.075, 0.075, 0.2, 1.0);
   float Di = 1.0f;
   float4 Dc = float4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
   return Ai * Ac + Di * Dc * saturate(dot(L, N));
}

译者注：因为dot(L, N)的范围在（－1，1）之间，所以需要saturate将它截取到（0，1）之间。

使用的technique如下：

technique DiffuseLight
{
    pass P0
    {
        VertexShader = compile vs_1_1 VertexShader(); 
        PixelShader = compile ps_1_1 PixelShader();
    }
}

好了，这就是漫反射光照！可以下载源码更好地理解原理，希望你能感受到shader的威力并知道如何在程序中实现。

译者注：还看过一个例子中不使用InverseWorld矩阵，而是使用Out.N = normalize(mul(N,matWorld));而本例使用的是Out.N = normalize(mul(matInverseWorld, N));

另外本例中的L向量对应的vLightDirection在程序中设置为：

Vector4 vLightDirection = new Vector4(0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f);

这表示指向z轴正方向，即垂直屏幕向外，这里实际是指“顶点指向光源的方向”，也就是说光线的方向是垂直屏幕向里的，教程里使用“光线方向”容易引起误解，至少我是一开始就搞错了。习惯上光线的方向是指“从光源指向顶点的方向”，这时应该是用saturate( dot(－L,N));而不是本例中的saturate(dot(L, N));因为根据Lambert定理，光线的方向是指从顶点指向光源的方向，而导入的L是指光源指向顶点的方向，所以要－L。

发布时间：2009/4/1 13:07:09 阅读次数：11741

XNA Shader编程教程2－漫反射光照

漫反射光照

实现shader

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