第八节讲了光照和材质，但材质的实现一般要用到贴图。所以我们介绍几种常见的光照贴图。

漫反射贴图

漫反射贴图一般就是材质的原贴图，也就是材质长什么样，漫反射就什么样。

冯氏光照是图形学中普遍使用的光照模型，是基本的光照系统。注意，这里的代码全部都是GLSL！

颜色

在物理中我们通常使用三原色模型表示颜色，其基本思想是任何颜色都可以由红蓝绿三种基色来合成，用向量表示：

一般来说，$R,G,B\in[0,255]$，不过在OpenGL中我们我们的三基色的取值范围为$(0,1)$。

下面介绍颜色吸收定理：

假设在世界坐标系下存在着一个光源，他发射出颜色为$(1.0,1.0,1.0)$的光，由RGB模型易知这种光的颜色是白色（符合我们的日常生活认知）。

那么我们为什么能看到某些物体的颜色？因为物体吸收了部分颜色，反射出来的颜色被我们看到了。因此，假设世界坐标系存在着另外一个物体，这个物体的本该具有的颜色为珊瑚红$(1.0,0.5,0.31)$。现在我们让光照射在这个物体上，问这个物体最终反射的颜色为什么？答案依然是珊瑚红，这是因为：

摄像机方向

摄像机是一种抽象的结构，它表示我们看东西的媒介，类似于眼睛。为了定义摄像机，我们给定摄像机的世界空间位置向量$\boldsymbol{eye}=(x_0,y_0,z_0,1)$，以及我们要观察的片元的世界空间位置向量$\boldsymbol{frag}$。

为了构建摄像机的坐标系，我们需要三个正交的基向量，而其中一个必须表示方向信息。首先可以计算出摄像机的方向向量：

可以计算摄像机的视角方向向量，简称方向向量：

之前的教程都是单一颜色的形状，这并不好看哈。所以我们给他增加个贴图！

stb_image库

我们利用stb_image读取纹理，其仓库地址：https://github.com/nothings/stb

注意我们只需要一个stb_image.h来读取纹理，其他库暂时是用不到的：

UV坐标系

读取纹理需要用到UV坐标系。这个坐标系

GLM是OpenGL的数学库，提供了mat矩阵、vec向量等数据结构的运算，非常方便。

在前面的教程中，我们的着色器都是以const char的数组形式来传递的。但是这有个很严重的问题，非常不方面着色器的编写！后期的学习中，我们大部份都需要编写很多着色器的代码，如果在这种环境下编写会非常不方便的。所以，我们可以在另外一个文本中编写着色器，然后用C++的输入流来读取这个文本（这个文本的格式可以是txt，也可以是其他任何格式，但为了方便管理，推荐使用glsl格式或者vsh和fsh格式）。看来写一个Shader读取编译器势在必行。

并且，为了方便管理，我们最好写一个Shader类，专门管理着色器。

定义Shader类

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class Shader{
public:
    //着色器id
    unsigned int id;
		
    //构造函数，读取着色器并编译。接受两个参数，分别为顶点着色器和片元着色器的路径
    Shader(const std::string &vertexShaderPath, const std::string &fragmentShaderPath);
    //析构函数，回收内存
    ~Shader();
    //使用着色器的函数
    void use();
    //Uniform变量设置函数
    void setBool(const std::string &name, bool value) const;
    void setInt(const std::string &name, int value) const;
    void setFloat(const std::string &name, float value) const;
    void setVector3(const std::string &name, float x, float y, float z) const;
    void setVector3(const std::string &name, glm::vec3 vec) const;
    void setVector4(const std::string &name, float x, float y, float z, float w) const;
    void setVector4(const std::string &name, glm::vec4 vec) const;
    void setMatrix3(const std::string &name, glm::mat3 mat3) const;
    void setMatrix4(const std::string &name, glm::mat4 mat4) const;
};

上一节我们实现了一个三角形的绘制。现在思考下如何绘制一个矩形？因为OpenGL中最小的绘制片元是一个三角面片（不考虑点和线哦），所以答案是绘制两个三角形就是一个矩形了。

顶点数据

首先确定顶点的浮点数据：

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float vertices[] = {
        0.5f, 0.5f, 0.0f,   // 右上角
        0.5f, -0.5f, 0.0f,  // 右下角
        -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角
        -0.5f, 0.5f, 0.0f,   // 左上角
        -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角
        0.5f, 0.5f, 0.0f,   // 右上角
};

因为是两个三角形，所以就有六个顶点。

VAO和VBO

然后定义矩形的vao和vbo，并解释数据：

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//initialize vbo
unsigned int vbo;
glGenBuffers(1, &vbo);  //spawn a new vbo
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo); //bind vbo with ARRAY_BUFFER
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices,
             GL_STATIC_DRAW);  //transport vertices data to buffer memory

//initialize vao
unsigned int vao;
glGenVertexArrays(1, &vao);
glBindVertexArray(vao);

//set vertices pointer
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void *) nullptr);
glEnableVertexAttribArray(0);

上一节我们使用了GLFW和GLAD。接下来我们来绘制三角形。在OpenGL中，最小绘制对象是三角面片。所有的对象都是由若干个三角面片组成的。绘制也比较简单，我们只需确定顶点以及其每个顶点的颜色就可以绘制了！

绘制过程如上，我们需要定义顶点的数据，然后交给六个着色器处理。其中顶点、集合和片段是我们可以人为自定义的阶段。着色器非常重要，他是运行在GPU的小程序。用于渲染图形。在OpenGL中，我们使用GLSL着色器语言。它类似于C语言，还是比较好上手的。

基本过程就是，定义顶点数据->顶点着色（绘制每个顶点的位置）->图元装配（根据绘制类型装配图元，后面会解释）->几何着色器->光栅化（确定图形的像素）->片元着色（绘制每个像素的颜色）->测试混合

所以，顶点着色器的对象是每个顶点，片元着色器的对象是每个像素！这点很重要。也就是说，我们会对每个顶点执行一次顶点着色器的程序，会对每个像素执行片元着色器。一般来说，像素的数目大于顶点的数目。所以片元着色器一般计算量会大于顶点着色器。

OpenGL是图形API，是一种规范。他作为最古老的图形API，无论是后起之秀DirectX和Vulkan，都遵循这种规范。

既然是一种API，那么他就是一种图形接口，供用户去实现一些图形的操作。具体来说，这一过程如下：

这说明，各大显卡厂商根据OpenGL制定相对应的显卡（不止是OpenGL，还有DirectX和Vulkan等图形API）。用户通过GLFW和GLAD“对接API”。最后才能实现真正的图形编程。可能你目前还看不懂这些术语，之后会好好解释的。

入门计算机图形学，需要有良好的数学基础，以及编码能力。我们主要采用C++语言编程OpenGL。需要说明的是，Python、Java和Golang都可以编程OpenGL，并且在这方面的语法是出奇的相似。建议挑选自己熟悉的语言学习。（但我仍然强烈推荐用C++，问就是效率高而且高自定义性)

最后，要强调的是，OpenGL是一个巨大的状态机，每一条gl的语句都是一种状态。这一点需要明确，这对后面对OpenGL代码的理解有着重要的作用。