如何在OpenGL中正确转换漫射照明的法线？答案

【问题标题】：How to properly transform normals for diffuse lighting in OpenGL?如何在OpenGL中正确转换漫射照明的法线？
【发布时间】：2022-01-25 02:24:02
【问题描述】：

为了使漫射照明正确，我阅读了几篇文章并尝试尽可能接近地应用它们。

然而，即使法线向量的变换看起来接近正确，光照仍然会略微滑过物体（对于固定光照不应该是这种情况）。

注 1：我根据点积添加了条带以使问题更加明显。
注2：这不是索伦之眼。

在图像中，两个问题很明显：

法线受投影矩阵影响：当视口水平时，法线显示椭圆阴影（如图所示）。当视口垂直时（高度>宽度），椭圆是垂直的。
当相机围绕对象旋转时，阴影会在表面上移动。这在普通照明下不太明显，但在从光源投射图案时会很明显。

代码和尝试：

不幸的是，一个最小的工作示例很快就会变得非常大，所以我只会发布相关代码。如果这还不够，我和我会尝试在某处发布代码。

在绘图功能中，我有以下矩阵创建：

glm::mat4 projection = glm::perspective(45.0f, (float)m_width/(float)m_height, 0.1f, 200.0f);
glm::mat4 view = glm::translate(glm::mat4(1), glm::vec3(0.0f, 0.0f, -2.5f))*rotationMatrix; // make the camera 2.5f away, and rotationMatrix is driven by the mouse.
glm::mat4 model = glm::mat4(1); //The sphere at the center.
glm::mat4 mvp = projection * view * model;
glm::mat4 normalVp = projection * glm::transpose(glm::inverse(view * model));

在顶点着色器中，mvp用于变换位置和法线：

#version 420 core

uniform mat4 mvp;
uniform mat4 normalMvp;

in vec3 in_Position;
in vec3 in_Normal;
in vec2 in_Texture;

out Vertex
{
    vec4 pos;
    vec4 normal;
    vec2 texture;
} v;

void main(void)
{
    v.pos = mvp * vec4(in_Position, 1.0);
    gl_Position = v.pos;
    v.normal = normalMvp * vec4(in_Normal, 0.0);
    v.texture = in_Texture;
}

并且在片段着色器中，应用了漫反射着色：

#version 420 core

in Vertex
{
    vec4 pos;
    vec4 normal;
    vec2 texture;
} v;

uniform sampler2D uSampler1;
out vec4 out_Color;

uniform mat4 mvp;
uniform mat4 normalMvp;
uniform vec3 lightsPos;
uniform float lightsIntensity;

void main()
{

    vec3 color = texture2D(uSampler1, v.texture);
    vec3 lightPos = (mvp * vec4(lightsPos, 1.0)).xyz;
    
    vec3 lightDirection = normalize( lightPos - v.pos.xyz );
    float dot = clamp(dot(lightDirection, normalize(v.normal.xyz)), 0.0, 1.0);

    vec3 ambient = 0.3 * color;
    vec3 diffuse = dot * lightsIntensity * color;

    // Here I have my debug code to add the projected bands on the image.
    //     kind of if(dot>=0.5 && dot<0.75) diffuse +=0.2;...

    vec3 totalLight = ambient + diffuse;

    out_Color = vec4(totalLight, 1.0);
}

问题：

如何正确转换法线以获得漫反射着色？

大多数情况下，所有消息来源都同意将投影矩阵乘以模型视图矩阵的逆矩阵的转置就足够了。这就是我认为我正在做的事情，但结果显然不对。

【问题讨论】：

标签： opengl glsl glm-math lighting normals

【解决方案1】：

不应在剪辑空间（包括投影矩阵）中执行光照计算。让投影远离所有变量，包括灯光位置等，你应该会很好。

这是为什么呢？嗯，照明是一种物理现象，主要取决于角度和距离。因此，要计算它，您应该选择一个保存这些东西的空间。世界空间或相机空间是角度和距离保持空间的两个示例（与物理空间相比）。您当然可以对它们进行不同的定义，但在大多数情况下它们是不同的。剪辑空间不保留两者中的任何一个，因此您在此空间中计算的角度和距离不是您确定物理照明所需的物理角度和距离。

【讨论】：