GLSL实现多重纹理映射(例子取自glsl橙皮书第10章)

要实现的是使用GLSL来模拟从太空角度观测的地球，该例子取自GLSL橙色书第10章。这个例子写的还是蛮有教学作用的，不过感觉把太多的重点放到了gloss map上面，这不要讲的是多重纹理来着吗。。。总之多学学没错。

一、要想实现对地球的模拟，我们可以画一个球，然后直接使用一副从太空拍摄的地球纹理贴图作于球面上（也就是简单的纹理映射），但是这样做会有一些“不真实”的地方：

(1)我们知道地球上是有一些人为manmade的光源（比如各大城市所发出的光芒），当夜晚来临的时候，即使从太空中看地球，各大城市也会发出明显的光芒。所以我们得判断地表上的每一处（其实就是球面上的每一个vertex）是白天还是黑夜，这个可以通过灯光向量和球面顶点法向量的夹角值来判断。当地表某点处于白天时，我们使用一副daytime的纹理位图并作一些相关的光照计算，而当处于夜晚时，我们不进行光照融合计算而是直接使用一副黑夜纹理贴图。见下图，分别是白天/黑夜纹理：



图1.1 daytime纹理贴图


图1.2 nighttime纹理贴图（感觉灯光的亮度表现了地域的繁荣度）

(2)另一个不真实的地方在于，地球上的海水具有较强的反射材质，当海水的反射光线与视线夹角很小时，我们会感觉明显的反射高亮。而对于陆地来说，则不存在这种情况，陆地上的沙漠、草地、岩石、土地都基本不具有反射材质。所以若想我们的模拟更为真实，我们需要区分海水和陆地。而要做到一点，可以通过一个称为gloss map的方法来实现，也就是在位图的一个通道中（比如red通道）存储海水值（其实只有0和1，0表示陆地，1表示海水），本例中海水值存储于cloud.jpg的green channel中，随后在程序中，我们读取这个green channel的值并将其乘上反射光颜色（本例中为vec3(1.0, 0.941, 0.898)）。图1.3的绿色区域表示海水。

(3)如果做到上面两点，那么你会我们模拟的地球仍然和真实的地球有差距——我们的地球没有云雾。在本例中，我们将云的纹理作为一个单通道（red channel）的纹理存存储（有点像做地形用的灰度图），如图1.3所示。这里所说的“纹理”实质上表现的是云层的厚度，在cloud.jpg的红色通道中，我们存储一个从0.0到1.0的值（1.0表示完全只看得到云，看不到下面的地表）。当处于白天时候时，我们希望云能够有散射光（也就是你能看得见云）而不反射光；而当处于夜晚的时候，我们希望完全看不到云，并且被云遮挡的地表也看不见。



图1.3 cloud.jpg（red通道表示云层厚度，green表示海水，blue没用）

二、顶点及片断着色器分析

(1)顶点着色器分析

本例的顶点着色器所计算的光照，与之前的简单纹理贴图中光照计算稍有不同，主要在于本例将散射光与反射光分开来进行处理（见代码1.1 中的 Diffuse和Specular变量 ），因为海水需要加入反射光而陆地不需要，简单的用一个LightIntensity无法满足本例的需要；同时因为本例用的是纹理贴图，也即散射光的颜色来自于纹理像素，所以对于散射光来说，只需要一个float型的变量来表示散射光强即可。顶点着色器代码具体如下：

// code 1.1 ( vertex shader )
varying float Diffuse;
varying vec3  Specular;
varying vec2  TexCoord;

uniform vec3 LightPosition;

void main()
{
vec3 ecPosition = vec3(gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex);
vec3 tnorm      = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);
vec3 lightVec   = normalize(LightPosition - ecPosition);
vec3 reflectVec = reflect(-lightVec, tnorm);
vec3 viewVec    = normalize(-ecPosition);

float spec      = clamp(dot(reflectVec, viewVec), 0.0, 1.0);
spec            = pow(spec, 8.0);
Specular        = vec3(spec) * vec3(1.0, 0.941, 0.898) * 0.3;

Diffuse         = max(dot(lightVec, tnorm), 0.0);

TexCoord        = gl_MultiTexCoord0.st;
gl_Position     = ftransform();
}

我们注意到顶点的纹理坐标通过TexCoord传递给片断着色器，即TexCoord = gl_MultiTexCoord0.st; 这里可能有疑问：即不是多即纹理贴图进行融合吗？怎么只有一个gl_MultiTexCoord0的坐标？查看一下图片即可知道，所有图片都是相同尺寸，也即三副图都共用一个纹理坐标，此处用一个TexCoord即可表达。

（2）片断着色器分析

a)如前面所说，cloud只有red、green通道是有用的，分别表示云的厚度及海水gloss，blue通道完全没用着，因为cloud的通道值在后面是需要用到的，所以这里第一步就是读取cloud纹理。

b)第二步计算出白天的颜色值，注意看下括号的位置：

vec3 daytime = (texture2D(EarthDay, TexCoord).rgb * Diffuse +Specular * clouds.g) * (1.0 - clouds.r) +
clouds.r * Diffuse;

首先我们将daytime纹理自身的散色光色与反射光色相加（如果处于海水处那么cloud.g为0，自然没有反射光），得到一个天晴状态下的地表色（也就没有被云遮挡），随后将这个值乘上(1.0 - clouds.r)，因为clouds.r表示云层厚度，所以这个(1.0 - clouds.r) 可以看作是透过云层的光线强度，最后当处于白天时云是可见的，所以再加上clouds.r * Diffuse;

注意GLSL的语法，vec3 a = vec(1.0) 实质上等于 vec3 a = vec(1.0, 1.0, 1.0); 所以附加上云的颜色为白色。

c)第三步计算黑夜颜色: vec3 nighttime = texture2D(EarthNight, TexCoord).rgb * (1.0 - clouds.r) * 2.0;

这里就没有白天那么复杂，前面也讲了，因为是黑夜所以不需要加入云的光照计算，直接将nighttime纹理散射色与透过云层厚度的光强相乘即，这后面*2.0是想其黑夜颜色明显一些，可以去掉这个值或者换个别的值，自己试试。

d)目前我们的资源是白天纹理和黑夜纹理，那么什么时候用白天纹理，什么时候用黑夜纹理，当处于这两者之间的时间状态怎么办？我们必须得判断一下当前的时刻，这个前面也讲了，用diffuse值即可。当diffuse大于0时，处于光照状态，当diffuse等于0时，完全处于阴影之中，而当很接近0的时候，也即处于明暗界限的那个位置时，我们得融合两种纹理。下面的代码段就很好理解了：

if (Diffuse < 0.1)
color = mix(nighttime, daytime, (Diffuse + 0.1) * 5.0);
当小于0.1时，融合二者，diffuse可能为负值（diffuse是cos的值嘛，大于90度就为负了），这里的*0.5和+0.1同样也是为了效果更明显做了些微调。

uniform sampler2D EarthDay;
uniform sampler2D EarthNight;
uniform sampler2D EarthCloudGloss;

varying float Diffuse;
varying vec3  Specular;
varying vec2  TexCoord;

void main()
{
// Monochrome cloud cover value will be in clouds.r
// Gloss value will be in clouds.g
// clouds.b will be unused

vec2 clouds    = texture2D(EarthCloudGloss, TexCoord).rg;
vec3 daytime   = (texture2D(EarthDay, TexCoord).rgb * Diffuse +
Specular * clouds.g) * (1.0 - clouds.r) +
clouds.r * Diffuse;
vec3 nighttime = texture2D(EarthNight, TexCoord).rgb *
(1.0 - clouds.r) * 2.0;

vec3 color = daytime;

if (Diffuse < 0.1)
color = mix(nighttime, daytime, (Diffuse + 0.1) * 5.0);

gl_FragColor = vec4(color, 1.0);
}