简介
在之前的章节学习的光源都是一个点，虽然效果不错，和现实世界的光源还有一定的差距。将光投射(Cast)到物体的光源叫做投光物(Light Caster)，这里我们学习几种比较常见的光源：定向光(Directional Light)，点光源(Point Light)还有聚光(Spotlight)。
定向光
当光源非常远时，来自光源的每条光线就会近似于互相平行，而且光源强度相同。当我们使用一个假设光源处于无限远处的模型时，它就被称为定向光。定向光非常好的一个例子就是太阳。太阳距离我们并不是无限远，但它已经远到在光照计算中可以把它视为无限远了。所以来自太阳的所有光线将被模拟为平行光线，我们可以在下图看到：
因为所有的光线都是平行的，所以物体与光源的相对位置是不重要的，因为对场景中每一个物体光的方向都是一致的。由于光的位置向量保持一致，场景中每个物体的光照计算将会是类似的。
我们可以定义一个光线方向向量而不是位置向量来模拟一个定向光。着色器的计算基本保持不变，但这次我们将直接使用光的direction向量而不是通过position来计算lightDir向量。我们修改着色器代码：
struct Light {
// vec3 position; // 使用定向光就不再需要位置了
vec3 direction;
vec3 ambient;
vec3 diffuse;
vec3 specular;
};
...
void main()
{
vec3 lightDir = normalize(-(aLightMatrix *light.direction));
...
}
首先我们对光的向量在View空间计算，得到最终的lightDir向量，随后再用它来计算环境光和镜面光。这里我们创建多个箱子并对它们进行不同的缩放和位移，来展示光照的效果。直接来看效果图：
点光源
在前面的章节中，我们用的光源都是点光源，但是我们看到被光照的地方亮度都是相同的，而实际上光是会随着距离变大而变弱的，而且超过最大距离后就没有光照效果了，这通常叫做衰减。我们需要一个公式来减少光的强度，不用担心已经有前辈解决了这个问题：
在这里d代表了片段距光源的距离。接下来为了计算衰减值，我们定义3个（可配置的）项：常数项、一次项和二次项。
- 常数项通常保持为1.0，它的主要作用是保证分母永远不会比1小，否则的话在某些距离上它反而会增加强度，这肯定不是我们想要的效果。
- 一次项会与距离值相乘，以线性的方式减少强度。
- 二次项会与距离的平方相乘，让光源以二次递减的方式减少强度。* 二次项在距离比较小的时候影响会比一次项小很多，但当距离值比较大的时候它就会比一次项更大了。
由于二次项的存在，光线会在大部分时候以线性的方式衰退，直到距离变得足够大，让二次项超过一次项，光的强度会以更快的速度下降。这样的结果就是，光在近距离时亮度很高，但随着距离变远亮度迅速降低，最后会以更慢的速度减少亮度。下面这张图显示了在100的距离内衰减的效果：
怎么选择合适的值呢，可以参考文档http://wiki.ogre3d.org/tiki-index.php?page=-Point+Light+Attenuation，我们选择32到100距离之内的值都可以，这里我们选择50距离的值：1.0, 0.09, 0.032，我们给着色器代码的光源结构体添加这三个常数项参数，并计算衰减，计算衰减后再与三个光照效果相乘，最后得到结果，关键代码如下：
……
struct Light {
……
float constant;
float linear;
float quadratic;
};
……
void main() {
……
// 衰减
float distance = length(light.position - fragPos);
float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance +
light.quadratic * (distance * distance));
ambient *= attenuation;
diffuse *= attenuation;
specular *= attenuation;
// 结果
vec3 result = ambient + diffuse + specular;
gl_FragColor = vec4(result, 1.0);
}
我们查看效果图，可以看到离光源远的地方光照效果更弱
聚光
聚光也很常见，例如手电筒，有灯罩的路灯等等，这种光之后朝一个特定方向照射，在光照范围外就没有光照效果。先看下图聚光灯的工作:
我们先要计算得到顶点上与光源的向量：LightDir，然后 计算其与光源方向（SoptDir）的夹角θ，如果这个角度大于聚光的角度ϕ则该顶点可以被照射到，反之则不可以。所以我们要定义这三个参数，光源位置，光源照射方向，还有光源的照射范围:
// 定义光源结构体
struct Light {
vec3 position;
vec3 direction;
float cutOff;
};
其中cutOff为切光角，是用角度值计算得到的余弦值，我们需要计算LightDir和SpotDir向量的点积，然后和cutOff对比。主要代码如下:
……
void main() {
vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);
// 检查当前点与光源的连线是否在聚光灯内
float theta = dot(lightDir, normalize(-(aLightMatrix *
light.direction)));
if(theta > light.cutOff){
// 被照射到
……
} else {
// 没有被照射到
gl_FragColor = vec4(light.ambient *
texture2D(material.diffuse, TextCoord).rgb, 1.0);
}
}
我们传入各项值后查看效果:
我们看到聚光灯内的光照比较亮，所以我们需要一个逐渐变化的效果。我们定义一个内圆锥和一个外圆锥：大于外圆锥不显示光照效果；小于内圆锥显示最大亮度；而在外圆锥和内圆锥内的区域光照效果逐渐变化。具体公式如下:
这里ϵ(Epsilon)是内（ϕ）和外圆锥（γ）之间的余弦值差（ϵ=ϕ−γ）。最终的I值就是在当前片段聚光的强度。值若小于0时置为0，这时我们就不用再使用if else了，主要代码如下:
float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
float epsilon = light.cutOff - light.outerCutOff;
float intensity = clamp((theta - light.outerCutOff) / epsilon, 0.0,
1.0);
……
diffuse *= intensity;
specular *= intensity;
……
此时我们看到聚光的效果就比较平滑了
