6.1 Lambert 漫反射：光照的第一块积木

6.1 Lambert 漫反射：光照的第一块积木

本节摘要：Lambert 漫反射用一句点积回答"表面有多朝向光源"，是所有光照模型的共同地基。本节建立点积的几何直觉，给出环境光加漫反射的完整着色器对，再补上点光源的距离衰减，让你的画面第一次拥有体积感。

学习目标

读完本节，你应当能够：解释法线与光方向点积的物理含义；写出可编译的 Lambert 顶点与片元着色器对；区分平行光与点光源的代码差异；用环境光防止暗部死黑。

一句点积里的几何直觉

把物体照亮的原因可以用生活经验锚定：正对太阳的墙面亮，侧对太阳的墙面暗。Lambert 把这个经验精确化——表面接收的光能量与"表面法线和光线方向的夹角余弦"成正比。余弦在代码里就是向量点积：两个归一化向量的 dot 值天然是夹角余弦，垂直时为 0，同向时为 1。

于是核心代码只有一句：

float ndl = max(dot(N, L), 0.0);   // N 法线、L 指向光源，都已归一化
​

max(..., 0.0) 不是防御式编程的装饰——背光面的点积是负数，直接乘上去会让颜色翻成负值，输出合并后出现诡异的反色。取零意味着"背光面不接收这盏灯的贡献"，物理上也正确：光穿不过物体。

动手前把两个向量的方向约定钉死：N 从表面指向外，L 从表面指向光源（不是光的前进方向）。约定反了高光暗面会整体翻转，而且不报错——初学者在这一步浪费的时间，比后面所有数学加起来还多。

图：Lambert 的几何：夹角越大，单位面积吃到光越少

完整的 Lambert 着色器对

光有核心公式还不够，得把它装进完整管线。顶点侧负责把法线与位置送进世界空间（第 3 章的模板原样复用），片元侧完成着色：

// 顶点着色器：把光照需要的几何量送到世界空间
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;

uniform mat4 uModel;
uniform mat4 uView;
uniform mat4 uProj;

out vec3 vNormal;
out vec3 vWorldPos;

void main() {
    vec4 world = uModel * vec4(aPos, 1.0);
    vWorldPos = world.xyz;
    vNormal = mat3(uModel) * aNormal;    // 模型不含非均匀缩放时的简写
    gl_Position = uProj * uView * world;
}
​

// 片元着色器：环境光 + Lambert 漫反射
#version 330 core
in vec3 vNormal;
in vec3 vWorldPos;
out vec4 FragColor;

uniform vec3 uLightDir;      // 指向光源的归一化方向（平行光）
uniform vec3 uLightColor;    // 光的颜色与强度
uniform vec3 uBaseColor;     // 物体本色，可换成漫反射贴图采样
uniform vec3 uAmbient;       // 环境光：替所有间接光兜底

void main() {
    vec3 N = normalize(vNormal);                    // 插值会破坏单位长度，必须重新归一
    float ndl = max(dot(N, uLightDir), 0.0);
    vec3 color = uBaseColor * (uAmbient + uLightColor * ndl);
    FragColor = vec4(color, 1.0);
}
​

两处细节值得停一停。normalize(vNormal) 不是多余的谨慎——法线经过插值后长度会偏离 1（三角形越大偏得越多），不归一化会在大面上看到亮度漂移。环境光项 uAmbient 的意义是替间接光兜底：现实里暗面也会被环境反弹照亮，纯 Lambert 的暗面是死黑，加一分环境光画面立刻"透气"，这个参数就是调画面"发灰还是通透"的头号旋钮。

把 uBaseColor 换成漫反射贴图的采样值（第 5 章技术直接落位），物体就有了贴图细节与体积光照的结合。

换点光源：方向与衰减都要算

平行光没有位置概念，所有片元共享一个方向；点光源有位置，每个片元要自己算方向与距离：

uniform vec3 uLightPos;

vec3 toLight = uLightPos - vWorldPos;
float dist   = length(toLight);
vec3  L      = toLight / dist;                       // 即 normalize
float atten  = 1.0 / (1.0 + 0.09 * dist + 0.032 * dist * dist);   // 经验衰减曲线
float ndl    = max(dot(N, L), 0.0);
vec3  color  = uBaseColor * (uAmbient + uLightColor * ndl * atten);
​

衰减公式用平方倒数打底（物理事实：能量随距离平方摊薄），加两个系数控制近处强度与截止速度——纯物理式 1 除以 d 方 在近距离会爆炸，工程公式都是为了可控而做的软化。多光源就是把这段代码套进第 3 章讲过的 uniform 数组循环逐盏累加，注意光源数是片元着色器最重的常量开销之一，能合并的灯就合并。

💡 关键直觉：所有光照模型都在回答同一个问题——"这个方向进来的光，表面往观察方向反射出去多少"。Lambert 只答了入射一半，够产生体积感；下一节补上"往眼睛反射"的另一半，高光就出现了。

进阶两步：半球环境光与光照贴图预习

纯色环境光虽然能救黑，但上下一个颜色，物体从上到下均匀发灰——地面反射的光总比天顶强，这个事实被丢掉了。半球环境光用一行混合补上这层物理常识：

// 环境光随朝向变化：朝天采天色，朝下采地面色
vec3 hemisphere = mix(uGroundColor, uSkyColor, N.y * 0.5 + 0.5);
vec3 ambient = hemisphere;
​

朝上的面吃到天蓝，朝下的面吃到土黄，侧面两者对半——画面立刻有了"处在真实环境里"的说服力，代价几乎为零。它是全局光照的乞丐版，却是写实场景性价比最高的一行代码。

另一个值得预习的概念是光照贴图：把静态场景的漫反射光预烘焙进纹理，运行时只采样不计算。窗边偏亮、墙角偏暗这些"环境光影"全部烤在图里，物体自带明暗变化。它与本章的实时光照并不互斥——烘焙管大面积底子，实时管动态物体，二者叠加是工程常态。

本节要点回顾

• 点积即光照：归一化向量的 dot 就是夹角余弦，Lambert 全部智慧浓缩在 max(dot(N,L), 0) 一句；
• 方向约定：N 朝外、L 指向光源，插值后的法线必须重新 normalize；
• 环境光兜底：暗部不死黑的关键，也是画面灰度观感的第一旋钮；
• 点光源三件套：逐片元算方向、算距离、套衰减公式，多光源用数组循环累加。

明暗有了，但画面还缺"精神"。下一节把高光加回来，Blinn-Phong 三成分合体。