The Book of Shaders 项目解析：月球纹理与光照效果的实现

概述

本文将深入分析一个来自The Book of Shaders项目的片段着色器代码，该着色器实现了月球表面纹理的渲染以及动态光照效果。这个示例展示了如何使用GLSL创建逼真的球体渲染效果，包括纹理映射、法线计算和光照模拟。

核心功能解析

1. 球体法线计算

sphereNormals函数负责计算球体表面各点的法线向量：

vec3 sphereNormals(in vec2 uv) {
    uv = fract(uv)*2.0-1.0;
    vec3 ret;
    ret.xy = sqrt(uv * uv) * sign(uv);
    ret.z = sqrt(abs(1.0 - dot(ret.xy,ret.xy)));
    ret = ret * 0.5 + 0.5;
    return mix(vec3(0.0), ret, smoothstep(1.0,0.98,dot(uv,uv)) );
}

这个函数将2D坐标转换为3D球体表面的法线向量，通过以下步骤实现：

1. 将UV坐标从[0,1]范围映射到[-1,1]范围
2. 计算XY平面的法线分量
3. 根据XY分量计算Z分量，确保向量长度为1
4. 将法线向量从[-1,1]范围重新映射到[0,1]范围
5. 使用smoothstep函数平滑处理球体边缘

2. 球面坐标转换

sphereCoords函数实现了从平面坐标到球面坐标的转换：

vec2 sphereCoords(vec2 _st, float _scale){
    float maxFactor = sin(1.570796327);
    vec2 uv = vec2(0.0);
    vec2 xy = 2.0 * _st.xy - 1.0;
    float d = length(xy);
    if (d < (2.0-maxFactor)){
        d = length(xy * maxFactor);
        float z = sqrt(1.0 - d * d);
        float r = atan(d, z) / 3.1415926535 * _scale;
        float phi = atan(xy.y, xy.x);

        uv.x = r * cos(phi) + 0.5;
        uv.y = r * sin(phi) + 0.5;
    } else {
        uv = _st.xy;
    }
    return uv;
}

这个函数实现了：

1. 将平面坐标转换为球面坐标
2. 使用三角函数计算球面投影
3. 处理球体边缘的情况

3. 纹理映射

sphereTexture函数将纹理映射到球体表面：

vec4 sphereTexture(in sampler2D _tex, in vec2 _uv) {
    vec2 st = sphereCoords(_uv, 1.0);

    float aspect = u_tex0Resolution.y/u_tex0Resolution.x;
    st.x = fract(st.x*aspect + u_time*speedMoon);

    return texture2D(_tex, st);
}

关键点包括：

1. 使用sphereCoords进行坐标转换
2. 考虑纹理的宽高比(aspect ratio)
3. 添加随时间变化的动画效果(speedMoon控制速度)

光照效果实现

主函数中实现了动态光照效果：

// Calculate sun direction
vec3 sunPos = normalize(vec3(cos(u_time*speedSun-HALF_PI),0.0,sin(speedSun*u_time-HALF_PI)));
vec3 surface = normalize(sphereNormals(st)*2.0-1.0);

// Add lighting effects
color *= dot(sunPos,surface);

1. 太阳位置随时间变化(speedSun控制速度)
2. 计算表面法线
3. 使用点积计算光照强度，实现明暗效果

边缘处理技巧

// Blend black the edge of the sphere
float radius = 1.0-length( vec2(0.5)-st )*2.0;
color *= smoothstep(0.001,0.05,radius);

这段代码实现了：

1. 计算像素到球心的距离
2. 使用smoothstep函数平滑处理球体边缘
3. 使球体边缘逐渐变暗，形成自然过渡

技术亮点总结

1. 球体渲染技术：通过数学计算将2D纹理映射到3D球体表面
2. 动态光照：模拟太阳位置变化产生的光影效果
3. 边缘处理：使用smoothstep实现平滑的边缘过渡
4. 性能优化：所有计算都在片段着色器中完成，无需几何体

应用场景

这种技术可以应用于：

1. 天文模拟程序中的行星渲染
2. 游戏中的球体对象渲染
3. 数据可视化中的球形展示
4. 创意编码艺术项目

扩展思考

读者可以尝试修改以下参数来观察不同效果：

1. 调整speedMoon和speedSun的值改变动画速度
2. 修改光照方向的计算方式
3. 尝试不同的纹理贴图
4. 添加大气散射效果增强真实感

这个着色器示例展示了如何用相对简单的数学计算实现复杂的3D渲染效果，是学习计算机图形学中光照和纹理映射的优秀教材。