LearnOpenGL 第二阶段：光照
第 0014 课：多光源
在上一课中，我们学习了平行光、点光源和聚光灯三种光源类型。实际游戏场景中几乎不会只有一盏灯——一个房间可能有顶灯、台灯、窗外射入的阳光，还有角色的手电筒。本课将学习如何在片段着色器中同时处理多个光源。
1. 多光源的核心思想
多光源的数学原理非常简单：每个光源独立计算其贡献，然后累加。
finalColor = light0_contribution + light1_contribution + light2_contribution + ...
这被称为光照的线性叠加。在现实物理中光确实是这样叠加的——多盏灯同时照亮一面墙，总亮度等于每盏灯贡献之和。
2. 代码组织：三个光源结构体
源文件 6.multiple_lights.fs 定义了三种独立的结构体，每种对应一种光源类型：
struct DirLight {
vec3 direction;
vec3 ambient;
vec3 diffuse;
vec3 specular;
};
struct PointLight {
vec3 position;
float constant;
float linear;
float quadratic;
vec3 ambient;
vec3 diffuse;
vec3 specular;
};
struct SpotLight {
vec3 position;
vec3 direction;
float cutOff;
float outerCutOff;
float constant;
float linear;
float quadratic;
vec3 ambient;
vec3 diffuse;
vec3 specular;
};
注意这里每种光源的 ambient/diffuse/specular 是各自独立的——这样每盏灯就可以有不同的颜色和强度。
3. 数组与计数
#define NR_POINT_LIGHTS 4
uniform PointLight pointLights[NR_POINT_LIGHTS];
片段着色器通过数组来接收多个点光源。GLSL 支持在着色器中使用固定大小的数组，uniform 上传时的命名约定为 pointLights[0].position、pointLights[1].position 等。
4. 封装光照计算函数
为了让代码更清晰，源文件将每种光源的计算封装为独立的函数：
// 函数原型
vec3 CalcDirLight(DirLight light, vec3 normal, vec3 viewDir);
vec3 CalcPointLight(PointLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir);
vec3 CalcSpotLight(SpotLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir);
每个函数的内部逻辑就是对之前学过的对应光源类型的完整计算。
4.1 CalcDirLight——平行光计算
vec3 CalcDirLight(DirLight light, vec3 normal, vec3 viewDir) {
vec3 lightDir = normalize(-light.direction);
float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));
return (ambient + diffuse + specular);
}
4.2 CalcPointLight——点光源计算
vec3 CalcPointLight(PointLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir) {
vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);
float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
float distance = length(light.position - fragPos);
float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance
+ light.quadratic * (distance * distance));
vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));
ambient *= attenuation;
diffuse *= attenuation;
specular *= attenuation;
return (ambient + diffuse + specular);
}
4.3 CalcSpotLight——聚光灯计算
vec3 CalcSpotLight(SpotLight light, vec3 normal, vec3 fragPos, vec3 viewDir) {
vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);
float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), material.shininess);
float distance = length(light.position - fragPos);
float attenuation = 1.0 / (light.constant + light.linear * distance
+ light.quadratic * (distance * distance));
float theta = dot(lightDir, normalize(-light.direction));
float epsilon = light.cutOff - light.outerCutOff;
float intensity = clamp((theta - light.outerCutOff) / epsilon, 0.0, 1.0);
vec3 ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
vec3 diffuse = light.diffuse * diff * vec3(texture(material.diffuse, TexCoords));
vec3 specular = light.specular * spec * vec3(texture(material.specular, TexCoords));
ambient *= attenuation * intensity;
diffuse *= attenuation * intensity;
specular *= attenuation * intensity;
return (ambient + diffuse + specular);
}
5. Main 函数中的累加
void main() {
vec3 norm = normalize(Normal);
vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
// 阶段 1：平行光（全局环境光+日光）
vec3 result = CalcDirLight(dirLight, norm, viewDir);
// 阶段 2：4 个点光源
for (int i = 0; i < NR_POINT_LIGHTS; i++)
result += CalcPointLight(pointLights[i], norm, FragPos, viewDir);
// 阶段 3：聚光灯（手电筒）
result += CalcSpotLight(spotLight, norm, FragPos, viewDir);
FragColor = vec4(result, 1.0);
}这段代码清晰地展示了多光源的累加过程：先计算平行光，再循环累加所有点光源，最后加上聚光灯。
6. C++ 端：上传多光源数据
在 multiple_lights.cpp 中，4 个点光源的位置定义在场景中：
glm::vec3 pointLightPositions[] = {
glm::vec3( 0.7f, 0.2f, 2.0f),
glm::vec3( 2.3f, -3.3f, -4.0f),
glm::vec3(-4.0f, 2.0f, -12.0f),
glm::vec3( 0.0f, 0.0f, -3.0f)
};然后逐帧上传每个光源的 uniform 数据：
// 点光源 0
lightingShader.setVec3("pointLights[0].position", pointLightPositions[0]);
lightingShader.setVec3("pointLights[0].ambient", 0.05f, 0.05f, 0.05f);
lightingShader.setVec3("pointLights[0].diffuse", 0.8f, 0.8f, 0.8f);
lightingShader.setVec3("pointLights[0].specular", 1.0f, 1.0f, 1.0f);
lightingShader.setFloat("pointLights[0].constant", 1.0f);
lightingShader.setFloat("pointLights[0].linear", 0.09f);
lightingShader.setFloat("pointLights[0].quadratic", 0.032f);
// 点光源 1-3：同理...
另外，还绘制了 4 个发光小方块来表示每个点光源的位置：
glBindVertexArray(lightCubeVAO);
for (unsigned int i = 0; i < 4; i++) {
model = glm::mat4(1.0f);
model = glm::translate(model, pointLightPositions[i]);
model = glm::scale(model, glm::vec3(0.2f));
lightCubeShader.setMat4("model", model);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
}7. 光源数量与性能
多光源场景下，每个片段需要执行 光源数量 × 光照计算量 次操作。如果有 1 个平行光、4 个点光源、1 个聚光灯，每个片段要计算 6 次完整的 Phong 光照。对于 1080p 分辨率（约 200 万像素），每帧需要执行上千万次光照计算。
这就是为什么：
- 游戏引擎通常限制点光源的影响范围（通过 Range 参数）
- 延迟渲染（Deferred Shading）将光照计算从 N 次/片段减少到 1 次/片段
- Unity 的”重要光源”（Important Light）和”不重要的光源”（Not Important）概念直接对应是否允许光源叠加
性能提示： 你现在手写的逐片段累加渲染方式，正是游戏引擎中”前向渲染”（Forward Rendering）的基础。当你将来学习延迟渲染时，会发现底层还是这些 Calc 函数——只是计算时机不同。
8. 引擎连接
| OpenGL 概念 | Unity 对应 | Unreal 对应 |
|---|---|---|
| DirLight + PointLights[] 数组 | 场景中多个 Light 组件 | 场景中多个 Light Actor |
| 函数封装 CalcXXXLight() | Shader Graph 中的光照节点 | Material 中每个光源类型的计算 |
| 结果累加 result += … | 场景光照叠加渲染 | Lighting Accumulation Buffer |
| 每个光源独立的 ambient/diffuse/specular | Light 组件的 Color + Intensity | Light 组件的 Light Color + Intensity |
| 点光源位置 + 衰减参数 | Point Light + Range + Intensity | Point Light + Attenuation Radius |
9. 练习
- 添加更多点光源：将
NR_POINT_LIGHTS改为 6，在场景中添加两个新的彩色点光源（例如红色和蓝色） - 调色光源：修改每个点光源的
light.diffuse颜色，让场景呈现五彩斑斓的效果 - 动态光源：让其中一个点光源沿着路径运动，观察动态光照下物体表面的光影变化
- 理解环境光：将所有点光源的 ambient 设为 (0,0,0)，观察只有平行光提供环境光时场景的明暗分布 ← 上一课：光源类型下一课：光照篇实战 →