C++着色算法实现（从零开始掌握图形渲染核心技术）

准备工作

你需要安装以下工具：

• 支持C++11或更高版本的编译器（如GCC、Clang或MSVC）
• 一个简单的向量数学库（我们将自己实现一个微型版本）
• 可选：用于显示图像的库（如SFML或OpenCV），但本教程只输出颜色值

步骤一：定义基础向量结构

首先，我们需要一个表示三维向量的结构体，用于存储位置、法线、颜色等信息。

#include <iostream>#include <cmath>struct Vec3 {    float x, y, z;    Vec3() : x(0), y(0), z(0) {}    Vec3(float x, float y, float z) : x(x), y(y), z(z) {}    // 向量加法    Vec3 operator+(const Vec3& v) const {        return Vec3(x + v.x, y + v.y, z + v.z);    }    // 向量数乘    Vec3 operator*(float f) const {        return Vec3(x * f, y * f, z * f);    }    // 点积    float dot(const Vec3& v) const {        return x * v.x + y * v.y + z * v.z;    }    // 向量长度    float length() const {        return std::sqrt(x*x + y*y + z*z);    }    // 单位化    Vec3 normalize() const {        float len = length();        if (len == 0) return Vec3(0, 0, 0);        return Vec3(x/len, y/len, z/len);    }};

步骤二：实现Phong着色函数

Phong模型包含三个部分：环境光（Ambient）、漫反射（Diffuse）和镜面反射（Specular）。公式如下：

Color = Ambient + Diffuse + Specular

Vec3 phongShading(    const Vec3& lightPos,     // 光源位置    const Vec3& viewPos,      // 观察者位置    const Vec3& fragPos,      // 片段（像素）位置    const Vec3& normal,       // 表面法线    const Vec3& lightColor,   // 光源颜色    const Vec3& objectColor   // 物体基础颜色) {    // 环境光强度（常量）    float ambientStrength = 0.1f;    Vec3 ambient = lightColor * ambientStrength;    // 漫反射    Vec3 lightDir = (lightPos - fragPos).normalize();    float diff = std::max(normal.dot(lightDir), 0.0f);    Vec3 diffuse = lightColor * diff;    // 镜面反射    Vec3 viewDir = (viewPos - fragPos).normalize();    Vec3 reflectDir = (lightDir * -2.0f * normal.dot(lightDir)) + normal;    float spec = std::pow(std::max(viewDir.dot(reflectDir), 0.0f), 32);    Vec3 specular = lightColor * spec;    // 最终颜色    Vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * objectColor;    return result;}

步骤三：测试你的着色器

现在我们写一个简单的main函数来测试着色结果：

int main() {    // 定义场景参数    Vec3 lightPos(1.2f, 1.0f, 2.0f);    Vec3 viewPos(0.0f, 0.0f, 3.0f);    Vec3 fragPos(0.0f, 0.0f, 0.0f);    Vec3 normal(0.0f, 0.0f, 1.0f); // 朝向Z轴正方向    Vec3 lightColor(1.0f, 1.0f, 1.0f);    Vec3 objectColor(1.0f, 0.5f, 0.31f); // 橙色    // 计算着色结果    Vec3 color = phongShading(lightPos, viewPos, fragPos, normal, lightColor, objectColor);    // 输出RGB值（范围0~1）    std::cout << "最终颜色: R=" << color.x               << ", G=" << color.y               << ", B=" << color.z << std::endl;    return 0;}

扩展与优化

以上代码展示了C++着色算法的核心思想。在实际项目中，你可能会：

• 使用GPU加速（通过OpenGL或Vulkan）
• 添加纹理映射（Texture Mapping）
• 支持多光源和阴影
• 集成到游戏引擎或3D建模软件中

总结

通过本篇C++教程，你已经掌握了如何用C++实现基础的Phong着色算法。这是进入计算机图形学世界的重要一步。记住，所有复杂的3D渲染效果都建立在这些基本原理之上。继续练习，尝试修改光源位置、物体颜色或法线方向，观察颜色如何变化——这正是学习图形渲染的乐趣所在！

关键词：C++着色算法, 图形渲染, 计算机图形学, C++教程