DirectX12 3D 中的Light

曾经终败给现在 2021-12-23 13:04 205阅读 0赞

## 1.Light结构体 ##

struct Light
    {
        float3 Strength;    // 光源的颜色
        float FalloffStart; // 仅供点光源/聚光灯
        float3 Direction;   // 仅供方向光源/聚光灯
        float FalloffEnd;   // 仅供点光源/聚光灯
        float3 Position;    // 仅供点光源/聚光灯
        float SpotPower;    // 仅供聚光灯 
    };

## 2.辅助函数 ##

### 2.1 衰减因子 ###

点光源和聚光灯的线性衰减。

float CalcAttenuation(float d, float falloffStart, float falloffEnd)
    {
        return saturate((falloffEnd-d) / (falloffEnd - falloffStart));
    }

### 2.2 反射率 ###

根据光向量L和表面法线n之间的夹角，根据菲涅尔效应近似计算出以n为法线的表面反射光的百分比。

float3 SchlickFresnel(float3 R0, float3 normal, float3 lightVec)
    {
        float cosIncidentAngle = saturate(dot(normal, lightVec));
        float f0 = 1.0f - cosIncidentAngle;
        float3 reflectPercent = R0 + (1.0f - R0)*(f0*f0*f0*f0*f0);
        return reflectPercent;
    }

### 2.3 光量 ###

计算反射到观察者眼中的光量，该值为漫反射光亮和镜面反射光量的总和。

float3 BlinnPhong(float3 lightStrength, float3 lightVec, float3 normal, float3 toEye, Material mat)
    {
        const float m = mat.Shininess * 256.0f;           //Shininess表示光泽度
        float3 halfVec = normalize(toEye + lightVec);
    
        float roughnessFactor = (m + 8.0f)*pow(max(dot(halfVec, normal), 0.0f), m) / 8.0f;
        float3 fresnelFactor = SchlickFresnel(mat.FresnelR0, halfVec, lightVec);
        float3 specAlbedo = fresnelFactor*roughnessFactor;
    
        //由镜面反射公式得到的结果超出[0,1]时，按比例缩小
        specAlbedo = specAlbedo / (specAlbedo + 1.0f);
        return (mat.DiffuseAlbedo.rgb + specAlbedo) * lightStrength;
    }

### 2.4  方向光源光量 ###

输出来自某方向光源发出，经表面反射入观察者眼中的光量。

float3 ComputeDirectionalLight(Light L, Material mat, float3 normal, float3 toEye)
    {
        //光向量与光线传播方向相反
        float3 lightVec = -L.Direction;
    
        // 通过朗伯余弦定理按比例降低光强
        float ndotl = max(dot(lightVec, normal), 0.0f);
        float3 lightStrength = L.Strength * ndotl;
        return BlinnPhong(lightStrength, lightVec, normal, toEye, mat);
    }

### 2.5 点光源光量 ###

输出从点光源放出，经表面反射入观察者眼中的光量。

float3 ComputePointLight(Light L, Material mat, float3 pos, float3 normal, float3 toEye)
    {
        //自表面指向光源的向量
        float3 lightVec = L.Position - pos;
        //表面到光源的距离
        float d = length(lightVec);
        //范围检测
        if(d > L.FalloffEnd)
            return 0.0f;
        //对光向量进行规范化处理
        lightVec /= d;
        //通过朗伯余弦定理按比例降低光强
        float ndotl = max(dot(lightVec, normal), 0.0f);
        float3 lightStrength = L.Strength * ndotl;
        //根据距离计算光的衰减
        float att = CalcAttenuation(d, L.FalloffStart, L.FalloffEnd);
        lightStrength *= att;
    
        return BlinnPhong(lightStrength, lightVec, normal, toEye, mat);
    }

### 2.6 聚光灯光量 ###

float3 ComputeSpotLight(Light L, Material mat, float3 pos, float3 normal, float3 toEye)
    {
        // 自表面指向光源的向量
        float3 lightVec = L.Position - pos;
        // 表面到光源的距离
        float d = length(lightVec);
        // 范围检测
        if(d > L.FalloffEnd)
            return 0.0f;
        // 对光向量进行规范化处理
        lightVec /= d;
        // 通过朗伯余弦定理按比例降低光强
        float ndotl = max(dot(lightVec, normal), 0.0f);
        float3 lightStrength = L.Strength * ndotl;
        // 根据距离计算光的衰减
        float att = CalcAttenuation(d, L.FalloffStart, L.FalloffEnd);
        lightStrength *= att;
        // 根据聚光灯照明模型对光强进行缩放处理
        float spotFactor = pow(max(dot(-lightVec, L.Direction), 0.0f), L.SpotPower);
        lightStrength *= spotFactor;
    
        return BlinnPhong(lightStrength, lightVec, normal, toEye, mat);
    }