23.7 方向光 | 23. 经典光照 | 游戏引擎浅入浅出

## 23.7 方向光

```text 
「游戏引擎 浅入浅出」是一本开源电子书，PDF/随书代码/资源下载： https://github.com/ThisisGame/cpp-game-engine-book 
```

```bash
CLion项目文件位于 samples\classic_lighting\directional_light
```

前面几个小节，定义了一个`Light`，它包含了光源的位置、颜色、强度，这几乎是一个光源的所有参数了。

但是世界上的光源有很多种，又需要增加或减少一些参数来对其进行描述，下面列举一些：

1. 方向光(Directional Light): 又叫平行光、定向光，光源发出的光子，几乎平行朝目标发射。一般将太阳光看做方向光。
2. 点光(Point Light): 光源发出的光子，向四面八方发射，到一定距离后消亡。例如萤火虫的光。
3. 聚光(Spot Light)： 光源发出的光子，向一个方向发射，形成锥形桶。例如手电筒。

这一小节就先介绍方向光(Directional Light)。

### 1. 方向光特点

方向光有以下特点：
1. 与位置无关，仅有方向属性。
2. 无衰减

![](md/cpp-game-engine-book/imgs/classic_lighting/directional_light/light_casters_directional.png)

### 2. 方向光的实现

#### 2.1 修改片段Shader

片段着色器，在上一节的 `Light`的基础之上，稍作修改。

将坐标改成方向，去除掉计算光线方向的操作，直接使用传入的方向即可。

```glsl
//file:data/shader/directional_light.frag

......

struct DirectionalLight {
    vec3  dir;//方向 alignment:12 offset:0
    vec3  color;//颜色 alignment:12 offset:16
    float intensity;//强度 alignment:4 offset:28
};

//灯光
layout(std140) uniform DirectionalLightBlock {
    DirectionalLight data;
}u_directional_light;

......

void main()
{
    ......

//diffuse
    vec3 normal=normalize(v_normal);
    vec3 light_dir=normalize(u_directional_light.data.dir);//使用方向光的方向
    float diffuse_intensity = max(dot(normal,-light_dir),0.0);
    vec3 diffuse_color = u_directional_light.data.color * diffuse_intensity * u_directional_light.data.intensity * texture(u_diffuse_texture,v_uv).rgb;

//specular
    vec3 reflect_dir=reflect(light_dir,v_normal);
    vec3 view_dir=normalize(u_view_pos-v_frag_pos);
    float spec=pow(max(dot(view_dir,reflect_dir),0.0),u_specular_highlight_shininess);
    float specular_highlight_intensity = texture(u_specular_texture,v_uv).r;//从纹理中获取高光强度
    vec3 specular_color = u_directional_light.data.color * spec * specular_highlight_intensity * texture(u_diffuse_texture,v_uv).rgb;

o_fragColor = vec4(ambient_color + diffuse_color + specular_color,1.0);
}
```

#### 2.2 设置UBO

结合上面提到的多种光源特性，对`Light` 进行整理，只保留颜色、强度基础属性，更新UBO的操作全放在子类。

新增`DirectionalLight` 继承 `Light` 。<a id="antiCollectorAdTxt" href="https://github.com/ThisisGame/cpp-game-engine-book">「游戏引擎 浅入浅出」是一本开源电子书，PDF/随书代码/资源下载： https://github.com/ThisisGame/cpp-game-engine-book</a>

```c++
//file:source/lighting/directional_light.cpp

using namespace rttr;
RTTR_REGISTRATION//注册反射
{
    registration::class_<DirectionalLight>("DirectionalLight")
            .constructor<>()(rttr::policy::ctor::as_raw_ptr);
}

DirectionalLight::DirectionalLight():Light() {
}

DirectionalLight::~DirectionalLight() {

}

void DirectionalLight::set_color(glm::vec3 color) {
    Light::set_color(color);
    UniformBufferObjectManager::UpdateUniformBlockSubData3f("u_directional_light","data.color",color_);
};

void DirectionalLight::set_intensity(float intensity) {
    Light::set_intensity(intensity);
    UniformBufferObjectManager::UpdateUniformBlockSubData1f("u_directional_light","data.intensity",intensity_);
};

void DirectionalLight::Update() {
    glm::vec3 rotation=game_object()->GetComponent<Transform>()->rotation();
    glm::mat4 eulerAngleYXZ = glm::eulerAngleYXZ(glm::radians(rotation.y), glm::radians(rotation.x), glm::radians(rotation.z));
    glm::vec3 light_rotation=glm::vec3(eulerAngleYXZ * glm::vec4(0,0,-1,0));//Transform旋转 * 默认朝向
    UniformBufferObjectManager::UpdateUniformBlockSubData3f("u_directional_light","data.dir",light_rotation);
}
```

在`DirectionalLight::Update` 计算光的方向，首先是给一个默认的方向 (0,0,-1)，然后把Transform的Rotation作用到它上面。

### 3. 测试

在`LoginScene:Awake()` 创建GameObject，挂上DirectionalLight组件。

在`LoginScene:Update()` 旋转GameObject，做出光方向改变的效果。

```lua
--file:example/login_scene.lua

function LoginScene:Awake()
    ......

self:CreateLight()
    ......
end

--- 创建灯
function LoginScene:CreateLight()
    self.go_light_= GameObject.new("directional_light")
    self.go_light_:AddComponent(Transform)

local light=self.go_light_:AddComponent(DirectionalLight)
    light:set_color(glm.vec3(1.0,1.0,1.0))
    light:set_intensity(1.0)
end

function LoginScene:Update()
    ......

--6s 绕Y旋转一圈
    self.go_light_:GetComponent(Transform):set_rotation(glm.vec3(0,(Time:TimeSinceStartup()*60)%360,0))

......
end
```

效果如下：

![](md/cpp-game-engine-book/imgs/classic_lighting/directional_light/directional_light_test.gif)