Shaders/PixelLighting.frag

 

 // ambient + diffuse + specular + attenuation + Spot light
vec3 calcLightAmbDifSpecAttSpot()
{

      ......

  if (u_spotCutOffAngle < 180.0) 
  {
    vec3 S = (vec3(u_spotDirection));
    float spot_factor = dot(-L, S);    // ----------------------------- (1)
  
    if (spot_factor >= cos(radians(u_spotCutOffAngle))) {    // ------- (2)
      spot_factor = pow(spot_factor, u_spotExponent);        // ------- (3)
    } else {
      spot_factor = c_zero;      // ---------------------------------- (4)
    }

    att *= spot_factor;      // -------------------------------------- (5)
 }

      ......

}

 

 

--------------------------------------------------------------------------

 

(1) Spot direction과 Light direction 사잇각 구하기

지점 방향을 나타내는 Spot direction 벡터와 광원 방향을 나타내는 Light Direction 간의 사잇각을 구합니다.

Spot direction은 본App에서 기본값인 (0, 0, -1)로 설정 되어 있으며,

Light Direction은 vertex shader에서 광원과 정점의 벡터 차를 통해서 구한 Positional Light벡터를 이용합니다.

 dot(-L, S)에서 -L인 이유는 광원과 정점의 벡터 차를 구했음으로 그 벡터 방향은 "정점->광원"으로 향합니다.

저희는 "광원->정점" 방향으로 구해야 함으로 -L을 해줘야 합니다.

 

 

(2) Spot factor와 cut off angle 비교

Spot Light는 원뿔형으로 빛이 비춰집니다.

이때 원뿔의 영역을 정하는 기준이 Spot direction을 중심으로 spot cut off angle(절단각)을 통해서 구해 집니다.

즉 이 cut off angle 내에만 Spot Effect를 계산 해주고, 나머지 영역은 감쇠율 값에 0.0을 해줌으로서 빛을 전부 빼줘야 합니다.

이때 cos() 함수가 이용되는데 이는 spot_factor가 -L과 S간의 내적을 통해서 구해 짐으로 그 결과는 cos(theta) 입니다.

그런데 절닥각보다 작아야 한다고 하는데, 비교식은 "크거나 같다" 입니다.

이는 아래와 같이 Cosine함수가 Theta 각도(Range)가 커질수록 그 결과값(치역)은 작아지기 때문에 그렇습니다.

 

결국 내적의 결과인 spot_factor가 cos(CutOffAngle)의 결과 보다 크다면, 그 사잇각은 작다는 것을 의미합니다.

(이 부분은 제가 이렇게 이해 했다는 의미 입니다. -ㅁ-; 혹 다른 의미가 있다면 댓글 달아주세요 ^^;)

 

 

(4) 절단각에서 벗어나는 영역은 감쇠율을 최대치로 높인다.

 

 

(5) 감쇠율에 Spot factor을 곱해줘서 뒤에 오는 주변광, 확산광, 경면광에 적용해 준다.

 

Classes/RenderingEngine.CH02.ES2.cpp

 

 

void RenderingEngine::Initialize(int width, int height)

 

{

......

 m_pixelLight.Uniforms.AttenuationFactor = glGetUniformLocation(program, "u_attenuationFactor");
 m_pixelLight.Uniforms.IsAttenuation = glGetUniformLocation(program, "u_computeAttenuation");
 m_pixelLight.Uniforms.LightRadius = glGetUniformLocation(program, "u_lightRadius");
 m_pixelLight.Uniforms.SpotDirection = glGetUniformLocation(program, "u_spotDirection");
 m_pixelLight.Uniforms.SpotExponent = glGetUniformLocation(program, "u_spotExponent");
 m_pixelLight.Uniforms.SpotCutOffAngle = glGetUniformLocation(program, "u_spotCutOffAngle");

......

}

 

-----------------------------------------------------------------------------------

Attenuation과 Spot Factor에 대한 신규 uniform 형들이 추가 되었음으로 이를 초기화 함수에 추가해 줍니다.

-----------------------------------------------------------------------------------

 

 

void RenderingEngine::Render(const vector<Visual>& visuals)
{

......

 

 // --------------------------------------------
 // PixelLight
 bool bIsPixelLight = true;    // -------------------------------------- (1)
 ProgramHandles handler;
 if (bIsPixelLight)
   handler = m_pixelLight;
 else
   handler = m_vertexLight;
 glUseProgram(handler.Program);

 

 

 // Set the light Mode                // -------------------------------------- (2)
 // 0 : MENU_DIFFUSE_MATERIAL -> DIFFUSE_MATERIAL
 // 1 : MENU_DIFFUSE_LIGHT -> DIFFUSE_LIGHT
 // 2 : MENU_AMBIENT_DIFFUSE_LIGHT -> AMBIENT_DIFFUSE_LIGHT
 // 3 : MENU_AMBIENT_DIFFUSE_SPECULAR_LIGHT -> AMBIENT_DIFFUSE_SPECULAR_LIGHT
 // 4 : MENU_AMBIENT_DIFFUSE_SPECULAR_ATT_LIGHT -> AMBIENT_DIFFUSE_SPECULAR_ATT_LIGHT
 // 5 : MENU_AMBIENT_DIFFUSE_SPECULAR_ATT_SPOT_LIGHT -> AMBIENT_DIFFUSE_SPECULAR_ATT_SPOT_LIGHT
 glUniform1i(handler.Uniforms.LightMode, MENU_AMBIENT_DIFFUSE_SPECULAR_ATT_SPOT_LIGHT);
 //glUniform4f(handler.Uniforms.AmbientLight, 0, 0, 0, 0);

 

 // Initialize various state.
 glEnableVertexAttribArray(handler.Attributes.Position);
 glEnableVertexAttribArray(handler.Attributes.Normal);

 

 GLfloat weight = sin(interpolation_z) * 3;//12.0f;//1.5f;    // ------------------- (3)
 //weight = 0.0f;
 //glUniform1f(handler.Uniforms.Interpolation_z, (GLfloat) weight);
 //LOG_PRINT("interpolation_z:%f, cos(%f)", interpolation_z, weight);
 interpolation_z += (2*Pi) * 0.0015f;

 

 // Set the attenuation factor.                                            // -------------------- (4)
 //vec3 attenuationFactor(1.5f, 0.5f, 0.2f);
 vec3 attenuationFactor(1.0f, 0.0f, 0.0f);
 glUniform3fv(handler.Uniforms.AttenuationFactor, 1, attenuationFactor.Pointer());
 glUniform1i(handler.Uniforms.IsAttenuation, 1);
 glUniform1f(handler.Uniforms.LightRadius, 4.0f);

    // Set the light position.
 //vec4 lightPosition(0.f, 0.f, -1.f, 1.0f); // for ortho
 vec4 lightPosition(0.f, 0.f, -6.f, 1.0f);        // --------------------------------- (5)
 
 //lightPosition.x += weight;
 lightPosition.z = max(-6.5f, lightPosition.z+weight*2.f);  // --------------- (6)
 lightPosition.y += weight;
 //LOG_PRINT("lightPosition:(%f, %f, %f) + weight(%f)", lightPosition.x, lightPosition.y, lightPosition.z, weight);
 glUniform4fv(handler.Uniforms.LightPosition, 1, lightPosition.Pointer());

 

 

 // Set the spot direction.
 vec4 spotDirection(0, 0, -1, 1);                                                   // ---------------- (7)
 glUniform4fv(handler.Uniforms.SpotDirection, 1, spotDirection.Pointer());
 glUniform1f(handler.Uniforms.SpotExponent, 0.0f);
 glUniform1f(handler.Uniforms.SpotCutOffAngle, 25.0f);
 //glUniform1f(handler.Uniforms.SpotExponent, 40.0f);
 //glUniform1f(handler.Uniforms.SpotCutOffAngle, 51);

 

......

}

 

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(1) : bIsPixelLight  변수 설정합니다.

Pixel Light로 동작할지 Vertex Light로 동작할지 선택할 수 있습니다.

 

 

(2) : Spot Light가 동작하도록 설정합니다. ; MENU_AMBIENT_DIFFUSE_SPECULAR_ATT_SPOT_LIGHT

 

 

(3) : Light Position의 위치를 변경 시켜주기 위한 가중치 값입니다.

이 값은 sin()함수로 동작 함으로 0~1~-1~0 를 반복합니다.

여기에 세 배를 가해 줌으로 0 ~ 3 ~ 0 ~ -3 ~ 0 값이 가중치 값으로 이용합니다.

 

 

(4) : Attenuation factor인 감쇠율 값을 설정 합니다.

기본값인 (1.0, 0.0, 0.0)으로 설정 되어 있지만, 앞장에서 배웠던 광원의 반지름 공식에 의해서 감쇠율이 적용 됩니다.

 

 

(5) : Light Position을 설정 합니다.

Light Position 설정은 (0, 0, -6)으로 시작합니다.

예제는 Camera를 통해서 Z축을 정면으로 보는 상태에서 카메라를 10만큼 뒤로 뺀 상태 입니다. (eye(0, 0, 10))

다시 말하면, 모델 객체는 월드 좌표계를 기준으로 Z축을 기준으로 -10 만큰 뒤에 있는 상태입니다.

그럼으로 광원 위치를 모델 객체(로컬 좌표)에 가까이 다가가게 하기 위해서 -6 만큼 빼주었습니다.

 

 

(6) : (3)번에 계산한 weight값으로 광원 위치를 변경해 줍니다.

y와 z값을 변경해 줍니다.

Z값의 경우, 시작 설정값이 -6인데 모델 객체(로컬 좌표)의 원점은 -10입니다. 그런데 Z값이 -6.5 이하로 더 내려가면,

광원이 모델 객체와 충돌을 일으키는지 광원이 사라져 버립니다. ^^

그래서 Z값의 최대한 멀어지는 위치는 -6.5로 한정 시켰습니다.

 

 

(7) : Spot Direction을 설정 합니다.

기본 값인 (0, 0, -1, 1)로 설정합니다.

w값 1은 vertex positon의 w와 동일하다고 본다고 합니다.

이 예제에서는  w값은 실제 shading 중에 사용되지는 않습니다.

Spot Exponent는 기본값인 0으로 하였으며, 이 값을 높이면 Spot Light 경계지점이 부드러 지네요 ^^;

Spot Cut Off Angle은 25도로 설정 하였으며, 이 값을 높이면 Spot Light 가 커지게 됩니다.

(180도 이상 올리면 Spot Light가 동작하지 않게 됩니다.)

 

----- 여기서 부터는 제 주관적인 관점 이기 때문에 틀릴수도 있습니다. 저도 독학 이어서  ^ㅁ^; -----

여기서 중요한 값은 -1 입니다. 스팟 라이트가 정상적으로 동작하기 위해서는 이 값은 음수여야 합니다.

광원의 위치인 Light Positon은 음수 방향으로 보고 있습니다.

Spot Light도 같은 방향인 음수 방향으로 보고 있어야 L과 S간의 내적을 통해서 구하는 사잇 각이 예각 내에서 구해 지게 됩니다.

만약 Spot Light가 (0, 0, 1) 이면 L과 S의 벡터 방향이 반대가 되어 버려서 내적을 통해서 계산 되는 사잇 각은 예각이 아닌 둔각이 되어 버립니다.

그럼으로 이 부분은 (0, 0, -1)이 되어야 하는것 같습니다.

(아닐수도 있습니다. 어쨋든 양수로 하면 효과가 원하는 바대로 나오지 않습니다.)