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Meow J
@@ -8,11 +8,11 @@
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我们目前使用的所有光照都来自于一个单独的光源，这是空间中的一个点。它的效果不错，但是在真实世界，我们有多种类型的光，它们每个表现都不同。一个光源把光投射到物体上，叫做投光。这个教程里我们讨论几种不同的投光类型。学习模拟不同的光源是你未来丰富你的场景的另一个工具。
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我们首先讨论定向光(directional light)，接着是作为之前学到知识的扩展的点光(point light)，最后我们讨论聚光灯(Spotlight)。下面的教程我们会把这几种不同的光类型整合到一个场景中。
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我们首先讨论定向光(directional light)，接着是作为之前学到知识的扩展的点光(point light)，最后我们讨论聚光(Spotlight)。下面的教程我们会把这几种不同的光类型整合到一个场景中。
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## 定向光(Directional Light)
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# 定向光
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当一个光源很远的时候，来自光源的每条光线接近于平行。这看起来就像所有的光线来自于同一个方向，无论物体和观察者在哪儿。当一个光源被设置为无限远时，它被称为定向光(也被成为平行光)，因为所有的光线都有着同一个方向；它会独立于光源的位置。
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当一个光源很远的时候，来自光源的每条光线接近于平行。这看起来就像所有的光线来自于同一个方向，无论物体和观察者在哪儿。当一个光源被设置为无限远时，它被称为定向光(Directional Light)，因为所有的光线都有着同一个方向；它会独立于光源的位置。
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我们知道的定向光源的一个好例子是，太阳。太阳和我们不是无限远，但它也足够远了，在计算光照的时候，我们感觉它就像无限远。在下面的图片里，来自于太阳的所有的光线都被定义为平行光：
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@@ -88,9 +88,9 @@ glUniform3f(lightDirPos, -0.2f, -1.0f, -0.3f);
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## 定点光(Point Light)
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# 点光源
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定向光作为全局光可以照亮整个场景，这非常棒，但是另一方面除了定向光，我们通常也需要几个定点光，在场景里发亮。点光是一个在时间里有位置的光源，它向所有方向发光，光线随距离增加逐渐变暗。想象灯泡和火炬作为投光物，它们可以扮演点光的角色。
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定向光作为全局光可以照亮整个场景，这非常棒，但是另一方面除了定向光，我们通常也需要几个点光源(Point Light)，在场景里发亮。点光是一个在时间里有位置的光源，它向所有方向发光，光线随距离增加逐渐变暗。想象灯泡和火炬作为投光物，它们可以扮演点光的角色。
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@@ -98,7 +98,7 @@ glUniform3f(lightDirPos, -0.2f, -1.0f, -0.3f);
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如果你把10个箱子添加到之前教程的光照场景中，你会注意到黑暗中的每个箱子都会有同样的亮度，就像箱子在光照的前面；没有公式定义光的距离衰减。我们想让黑暗中与光源比较近的箱子被轻微地照亮。
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### 衰减(Attenuation)
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## 衰减
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随着光线穿越距离的变远使得亮度也相应地减少的现象，通常称之为**衰减(Attenuation)**。一种随着距离减少亮度的方式是使用线性等式。这样的一个随着距离减少亮度的线性方程，可以使远处的物体更暗。然而，这样的线性方程效果会有点假。在真实世界，通常光在近处时非常亮，但是一个光源的亮度，开始的时候减少的非常快，之后随着距离的增加，减少的速度会慢下来。我们需要一种不同的方程来减少光的亮度。
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@@ -120,9 +120,7 @@ $$
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你可以看到当距离很近的时候光有最强的亮度，但是随着距离增大，亮度明显减弱，大约接近100的时候，就会慢下来。这就是我们想要的。
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#### 选择正确的值
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### 选择正确的值
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但是，我们把这三个项设置为什么值呢？正确的值的设置由很多因素决定：环境、你希望光所覆盖的距离范围、光的类型等。大多数场合，这是经验的问题，也要适度调整。下面的表格展示一些各项的值，它们模拟现实（某种类型的）光源，覆盖特定的半径（距离）。第一栏定义一个光的距离，它覆盖所给定的项。这些值是大多数光的良好开始，它是来自Ogre3D的维基的礼物：
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@@ -143,7 +141,7 @@ $$
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就像你所看到的，常数项\(K_c\)一直都是1.0。一次项\(K_l\)为了覆盖更远的距离通常很小，二次项\(K_q\)就更小了。尝试用这些值进行实验，看看它们在你的实现中各自的效果。我们的环境中，32到100的距离对大多数光通常就足够了。
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#### 实现衰减
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### 实现衰减
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为了实现衰减，在着色器中我们会需要三个额外数值：也就是公式的常量、一次项和二次项。最好把它们储存在之前定义的Light结构体中。要注意的是我们计算`lightDir`，就是在前面的教程中我们所做的，不是像之前的定向光的那部分。
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@@ -198,28 +196,26 @@ specular *= attenuation;
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定点光就是一个可配的置位置和衰减值应用到光照计算中。还有另一种类型光可用于我们照明库当中。
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## 聚光灯(Spotlight)
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## 聚光
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我们要讨论的最后一种类型光是聚光灯(Spotlight)。聚光灯是一种位于环境中某处的光源，它不是向所有方向照射，而是只朝某个方向照射。结果是只有一个聚光灯照射方向的确定半径内的物体才会被照亮，其他的都保持黑暗。聚光灯的好例子是路灯或手电筒。
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我们要讨论的最后一种类型光是聚光(Spotlight)。聚光是一种位于环境中某处的光源，它不是向所有方向照射，而是只朝某个方向照射。结果是只有一个聚光照射方向的确定半径内的物体才会被照亮，其他的都保持黑暗。聚光的好例子是路灯或手电筒。
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OpenGL中的聚光灯用世界空间位置，一个方向和一个指定了聚光灯半径的切光角来表示。我们计算的每个片段，如果片段在聚光灯的切光方向之间（就是在圆锥体内），我们就会把片段照亮。下面的图可以让你明白聚光灯是如何工作的：
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OpenGL中的聚光用世界空间位置，一个方向和一个指定了聚光半径的切光角来表示。我们计算的每个片段，如果片段在聚光的切光方向之间（就是在圆锥体内），我们就会把片段照亮。下面的图可以让你明白聚光是如何工作的：
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* `LightDir`：从片段指向光源的向量。
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* `SpotDir`：聚光灯所指向的方向。
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* `Phi`\(\phi\)：定义聚光灯半径的切光角。每个落在这个角度之外的，聚光灯都不会照亮。
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* `Theta`\(\theta\)：`LightDir`向量和`SpotDir`向量之间的角度。\(\theta\)值应该比\(\Phi\)值小，这样才会在聚光灯内。
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* `SpotDir`：聚光所指向的方向。
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* `Phi`\(\phi\)：定义聚光半径的切光角。每个落在这个角度之外的，聚光都不会照亮。
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* `Theta`\(\theta\)：`LightDir`向量和`SpotDir`向量之间的角度。\(\theta\)值应该比\(\Phi\)值小，这样才会在聚光内。
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所以我们大致要做的是，计算`LightDir`向量和`SpotDir`向量的点乘（返回两个单位向量的点乘，还记得吗？），然后在和切光角\(\phi\)对比。现在你应该明白聚光灯是我们下面将创建的手电筒的范例。
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所以我们大致要做的是，计算`LightDir`向量和`SpotDir`向量的点乘（返回两个单位向量的点乘，还记得吗？），然后在和切光角\(\phi\)对比。现在你应该明白聚光是我们下面将创建的手电筒的范例。
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## 手电筒
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手电筒(Flashlight)是一个坐落在观察者位置的聚光，通常瞄准玩家透视图的前面。基本上说，一个手电筒是一个普通的聚光，但是根据玩家的位置和方向持续的更新它的位置和方向。
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### 手电筒
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手电筒是一个坐落在观察者位置的聚光灯，通常瞄准玩家透视图的前面。基本上说，一个手电筒是一个普通的聚光灯，但是根据玩家的位置和方向持续的更新它的位置和方向。
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所以我们需要为片段着色器提供的值，是聚光灯的位置向量（来计算光的方向坐标），聚光灯的方向向量和切光角。我们可以把这些值储存在`Light`结构体中：
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所以我们需要为片段着色器提供的值，是聚光的位置向量（来计算光的方向坐标），聚光的方向向量和切光角。我们可以把这些值储存在`Light`结构体中：
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```c++
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struct Light
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@@ -241,7 +237,7 @@ glUniform1f(lightSpotCutOffLoc, glm::cos(glm::radians(12.5f)));
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你可以看到，我们为切光角设置一个角度，但是我们根据一个角度计算了余弦值，把这个余弦结果传给了片段着色器。这么做的原因是在片段着色器中，我们计算`LightDir`和`SpotDir`向量的点乘，而点乘返回一个余弦值，不是一个角度，所以我们不能直接把一个角度和余弦值对比。为了获得这个角度，我们必须计算点乘结果的反余弦，这个操作开销是很大的。所以为了节约一些性能，我们先计算给定切光角的余弦值，然后把结果传递给片段着色器。由于每个角度都被表示为余弦了，我们可以直接对比它们，而不用进行任何开销高昂的操作。
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现在剩下要做的是计算\(\theta\)值，用它和\(\phi\)值对比，以决定我们是否在或不在聚光灯的内部：
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现在剩下要做的是计算\(\theta\)值，用它和\(\phi\)值对比，以决定我们是否在或不在聚光的内部：
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```c++
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float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
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@@ -257,25 +253,25 @@ color = vec4(light.ambient*vec3(texture(material.diffuse,TexCoords)), 1.0f);
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!!! Important
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你可能奇怪为什么if条件中使用>符号而不是<符号。为了在聚光灯以内，`theta`不是应该比光的切光值更小吗？这没错，但是不要忘了，角度值是以余弦值来表示的，一个0度的角表示为1.0的余弦值，当一个角是90度的时候被表示为0.0的余弦值，你可以在这里看到：
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你可能奇怪为什么if条件中使用>符号而不是<符号。为了在聚光以内，`theta`不是应该比光的切光值更小吗？这没错，但是不要忘了，角度值是以余弦值来表示的，一个0度的角表示为1.0的余弦值，当一个角是90度的时候被表示为0.0的余弦值，你可以在这里看到：
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现在你可以看到，余弦越是接近1.0，角度就越小。这就解释了为什么θ需要比切光值更大了。切光值当前被设置为12.5的余弦，它等于0.9978，所以θ的余弦值在0.9979和1.0之间，片段会在聚光灯内，被照亮。
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现在你可以看到，余弦越是接近1.0，角度就越小。这就解释了为什么θ需要比切光值更大了。切光值当前被设置为12.5的余弦，它等于0.9978，所以θ的余弦值在0.9979和1.0之间，片段会在聚光内，被照亮。
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运行应用，在聚光灯内的片段才会被照亮。这看起来像这样：
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运行应用，在聚光内的片段才会被照亮。这看起来像这样：
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你可以在这里获得[全部源码](http://learnopengl.com/code_viewer.php?code=lighting/light_casters_spotlight_hard)和[片段着色器的源码](http://learnopengl.com/code_viewer.php?code=lighting/light_casters_spotlight_hard&type=fragment)。
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它看起来仍然有点假，原因是聚光灯有了一个硬边。片段着色器一旦到达了聚光灯的圆锥边缘，它就立刻黑了下来，却没有任何平滑减弱的过度。一个真实的聚光灯的光会在它的边界处平滑减弱的。
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它看起来仍然有点假，原因是聚光有了一个硬边。片段着色器一旦到达了聚光的圆锥边缘，它就立刻黑了下来，却没有任何平滑减弱的过度。一个真实的聚光的光会在它的边界处平滑减弱的。
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## 平滑/软化边缘
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为创建聚光灯的平滑边，我们希望去模拟的聚光灯有一个内圆锥和外圆锥。我们可以把内圆锥设置为前面部分定义的圆锥，我们希望外圆锥从内边到外边逐步的变暗。
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为创建聚光的平滑边，我们希望去模拟的聚光有一个内圆锥和外圆锥。我们可以把内圆锥设置为前面部分定义的圆锥，我们希望外圆锥从内边到外边逐步的变暗。
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为创建外圆锥，我们简单定义另一个余弦值，它代表聚光灯的方向向量和外圆锥的向量（等于它的半径）的角度。然后，如果片段在内圆锥和外圆锥之间，就会给它计算出一个0.0到1.0之间的亮度。如果片段在内圆锥以内这个亮度就等于1.0，如果在外面就是0.0。
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为创建外圆锥，我们简单定义另一个余弦值，它代表聚光的方向向量和外圆锥的向量（等于它的半径）的角度。然后，如果片段在内圆锥和外圆锥之间，就会给它计算出一个0.0到1.0之间的亮度。如果片段在内圆锥以内这个亮度就等于1.0，如果在外面就是0.0。
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我们可以使用下面的公式计算这样的值：
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@@ -283,7 +279,7 @@ $$
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\begin{equation} I = \frac{\theta - \gamma}{\epsilon} \end{equation}
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这里\(\epsilon\)是内部（\(\phi\)）和外部圆锥（\(\gamma\)）（\epsilon = \phi - \gamma）的差。结果\(I\)的值是聚光灯在当前片段的亮度。
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这里\(\epsilon\)是内部（\(\phi\)）和外部圆锥（\(\gamma\)）（\epsilon = \phi - \gamma）的差。结果\(I\)的值是聚光在当前片段的亮度。
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很难用图画描述出这个公式是怎样工作的，所以我们尝试使用一个例子：
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@@ -300,7 +296,7 @@ $$
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就像你看到的那样我们基本是根据θ在外余弦和内余弦之间插值。如果你仍然不明白怎么继续，不要担心。你可以简单的使用这个公式计算，当你更加老道和明白的时候再来看。
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由于我们现在有了一个亮度值，当在聚光灯外的时候是个负的，当在内部圆锥以内大于1。如果我们适当地把这个值固定，我们在片段着色器中就再不需要if-else了，我们可以简单地用计算出的亮度值乘以光的元素：
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由于我们现在有了一个亮度值，当在聚光外的时候是个负的，当在内部圆锥以内大于1。如果我们适当地把这个值固定，我们在片段着色器中就再不需要if-else了，我们可以简单地用计算出的亮度值乘以光的元素：
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```c++
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float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
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@@ -319,9 +315,9 @@ specular* = intensity;
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看起来好多了。仔细看看内部和外部切光角，尝试创建一个符合你求的聚光灯。可以在这里找到应用源码，以及片段的源代码。
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看起来好多了。仔细看看内部和外部切光角，尝试创建一个符合你求的聚光。可以在这里找到应用源码，以及片段的源代码。
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这样的一个手电筒/聚光灯类型的灯光非常适合恐怖游戏，结合定向和点光，环境会真的开始被照亮了。[下一个教程](http://learnopengl-cn.readthedocs.org/zh/latest/02%20Lighting/06%20Multiple%20lights/)，我们会结合所有我们目前讨论了的光和技巧。
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这样的一个手电筒/聚光类型的灯光非常适合恐怖游戏，结合定向和点光，环境会真的开始被照亮了。[下一个教程](http://learnopengl-cn.readthedocs.org/zh/latest/02%20Lighting/06%20Multiple%20lights/)，我们会结合所有我们目前讨论了的光和技巧。
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## 练习
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