Cocos2d-x 光照与阴影基础(Cocos2d-x 3D/Creator光照模型)

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William 发表于 2025/11/25 09:50:52 2025/11/25
【摘要】 引言在现代游戏开发中,光照与阴影系统是构建逼真3D场景和实现沉浸式视觉体验的核心技术。随着Cocos2d-x从2D引擎向3D引擎的演进,以及Cocos Creator对3D功能的不断完善,开发者现在可以在Cocos引擎中创建具有真实感的光照效果和动态阴影。光照不仅决定了场景的视觉基调,还能引导玩家注意力、营造氛围、增强游戏的真实感。阴影则提供了物体间的空间关系信息,是深度感知和场景可信度的关...


引言

在现代游戏开发中,光照与阴影系统是构建逼真3D场景和实现沉浸式视觉体验的核心技术。随着Cocos2d-x从2D引擎向3D引擎的演进,以及Cocos Creator对3D功能的不断完善,开发者现在可以在Cocos引擎中创建具有真实感的光照效果和动态阴影。光照不仅决定了场景的视觉基调,还能引导玩家注意力、营造氛围、增强游戏的真实感。阴影则提供了物体间的空间关系信息,是深度感知和场景可信度的关键因素。本文将深入探讨Cocos2d-x 3D和Cocos Creator中的光照模型实现,从基础概念到实际应用,帮助开发者掌握这一核心技术。

一、技术背景

1.1 光照模型基础理论

1.1.1 Phong光照模型

Phong光照模型是最经典的局部光照模型之一,由环境光、漫反射光和镜面反射光三部分组成:
  • 环境光(Ambient):模拟场景中无处不在的间接光照
    I_ambient = K_a × I_a
  • 漫反射光(Diffuse):模拟光线照射到粗糙表面后的均匀散射
    I_diffuse = K_d × I_l × (N · L)
  • 镜面反射光(Specular):模拟光线在光滑表面的定向反射
    I_specular = K_s × I_l × (R · V)^α

1.1.2 PBR(基于物理的渲染)

现代游戏引擎普遍采用PBR模型,更符合真实世界的物理规律:
  • 金属工作流(Metallic-Roughness)
  • 镜面反射工作流(Specular-Glossiness)
  • 更真实的材质表现和光照交互

1.2 Cocos2d-x 3D光照架构

Cocos2d-x 3D通过以下组件实现光照系统:
组件类型
功能描述
Cocos2d-x类名
方向光
模拟太阳光等远距离平行光源
DirectionalLight
点光源
模拟灯泡等球形发光体
PointLight
聚光灯
模拟手电筒等锥形光束
SpotLight
环境光
全局基础照明
AmbientLight
阴影组件
投射和接收阴影
ShadowMap/ ShadowVolume

1.3 Cocos Creator光照特性

Cocos Creator在Cocos2d-x基础上提供了更完善的可视化光照编辑:
  • 实时光照预览:编辑器中实时显示光照效果
  • 光照贴图烘焙:静态光照的高效预计算
  • CSM阴影:级联阴影映射提升大场景质量
  • 光照探针:动态物体的间接光照采样

二、应用使用场景

场景类型
光照需求
阴影需求
典型案例
户外场景
方向光模拟太阳,环境光调色温
CSM阴影处理大范围地形
开放世界RPG、赛车游戏
室内场景
点光源+聚光灯模拟人工照明
软阴影增强真实感
恐怖游戏、解谜游戏
角色特写
三点布光突出面部特征
接触阴影增强立体感
剧情演出、肖像展示
科幻场景
彩色动态光源营造未来感
投影贴图实现全息阴影
太空射击、赛博朋克
卡通渲染
风格化光照简化真实感
硬边缘阴影强化风格特征
动漫风格游戏、休闲游戏

三、不同场景下的代码实现

3.1 场景1:基础方向光与阴影(户外场景)

代码实现

// OutdoorLighting.h
#ifndef __OUTDOOR_LIGHTING_H__
#define __OUTDOOR_LIGHTING_H__

#include "cocos2d.h"
#include "cocos2d/cocos/3d/CCLight.h"

class OutdoorLighting : public cocos2d::Scene {
public:
    static cocos2d::Scene* createScene();
    virtual bool init() override;
    CREATE_FUNC(OutdoorLighting);
    
private:
    void createDirectionalLight();
    void createAmbientLight();
    void createTerrain();
    void setupShadowSystem();
    
    cocos2d::DirectionalLight* _sunLight;
    cocos2d::AmbientLight* _ambientLight;
};

#endif

// OutdoorLighting.cpp
#include "OutdoorLighting.h"

USING_NS_CC;

Scene* OutdoorLighting::createScene() {
    return OutdoorLighting::create();
}

bool OutdoorLighting::init() {
    if (!Scene::init()) {
        return false;
    }
    
    auto visibleSize = Director::getInstance()->getVisibleSize();
    
    // 1. 创建环境光(基础照明)
    createAmbientLight();
    
    // 2. 创建方向光(太阳光)
    createDirectionalLight();
    
    // 3. 创建地形
    createTerrain();
    
    // 4. 配置阴影系统
    setupShadowSystem();
    
    return true;
}

void OutdoorLighting::createAmbientLight() {
    // 创建环境光 - 模拟天空的间接光照
    _ambientLight = AmbientLight::create(Color3B(80, 100, 120)); // 偏冷的蓝灰色
    _ambientLight->setIntensity(0.3f); // 环境光强度
    this->addChild(_ambientLight);
    
    CCLOG("环境光创建完成 - 颜色:(%d,%d,%d) 强度:%.1f", 
          80, 100, 120, 0.3f);
}

void OutdoorLighting::createDirectionalLight() {
    // 创建方向光 - 模拟太阳光
    _sunLight = DirectionalLight::create(Vec3(-1.0f, -0.5f, -0.8f), // 光线方向
                                        Color3B(255, 248, 220));  // 暖黄色(日光色温)
    
    _sunLight->setIntensity(1.2f); // 太阳光强度
    _sunLight->setShadowEnabled(true); // 启用阴影
    
    // 设置阴影属性
    auto shadowCamera = _sunLight->getShadowCamera();
    shadowCamera->setOrthographicSize(50.0f); // 正交投影大小
    shadowCamera->setNearPlane(0.1f);
    shadowCamera->setFarPlane(200.0f);
    
    // 阴影贴图分辨率
    _sunLight->setShadowMapSize(2048);
    _sunLight->setShadowDepthOffset(0.005f); // 防止阴影 acne
    
    this->addChild(_sunLight);
    
    CCLOG("方向光创建完成 - 方向:(%.1f,%.1f,%.1f) 强度:%.1f", 
          -1.0f, -0.5f, -0.8f, 1.2f);
}

void OutdoorLighting::createTerrain() {
    // 创建简单地形(实际应用中会加载地形模型)
    auto terrain = MeshRenderer::create();
    
    // 创建地面网格
    auto mesh = Mesh::create();
    // 简化的地面几何体创建...
    // 实际项目中会从文件加载地形模型
    
    // 创建地面材质
    auto material = PhysicsMaterial::create();
    material->setShininess(10.0f); // 低光泽度模拟粗糙地面
    material->setReflectivity(0.1f);
    
    terrain->setMesh(mesh);
    terrain->setMaterial(material);
    terrain->setPosition(0, 0, 0);
    terrain->setScale(10.0f, 1.0f, 10.0f);
    
    // 启用阴影接收
    terrain->setShadowReceivingEnabled(true);
    
    this->addChild(terrain);
    
    // 添加一些立方体作为建筑物
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        auto building = MeshRenderer::create();
        auto cubeMesh = Mesh::createBox();
        building->setMesh(cubeMesh);
        
        // 随机位置和大小
        float x = (CCRANDOM_0_1() - 0.5f) * 40.0f;
        float z = (CCRANDOM_0_1() - 0.5f) * 40.0f;
        float scale = 1.0f + CCRANDOM_0_1() * 3.0f;
        
        building->setPosition(x, scale * 0.5f, z);
        building->setScale(scale, scale, scale);
        
        // 启用阴影投射和接收
        building->setShadowCastingEnabled(true);
        building->setShadowReceivingEnabled(true);
        
        this->addChild(building);
    }
}

void OutdoorLighting::setupShadowSystem() {
    // 配置场景阴影系统
    auto renderer = Director::getInstance()->getRenderer();
    
    // 启用阴影
    renderer->setShadowMapEnabled(true);
    
    // 设置阴影类型(PCF软阴影)
    renderer->setShadowTechnique(Renderer::SHADOW_MAP_PCF);
    
    // 阴影距离配置
    renderer->setShadowDistance(100.0f);
    
    CCLOG("阴影系统配置完成 - 技术:PCF 距离:100.0");
}

3.2 场景2:室内点光源与聚光灯(室内场景)

代码实现

// IndoorLighting.h
#ifndef __INDOOR_LIGHTING_H__
#define __INDOOR_LIGHTING_H__

#include "cocos2d.h"
#include "cocos2d/cocos/3d/CCLight.h"

class IndoorLighting : public cocos2d::Scene {
public:
    static cocos2d::Scene* createScene();
    virtual bool init() override;
    CREATE_FUNC(IndoorLighting);
    
private:
    void createRoom();
    void createPointLights();
    void createSpotLights();
    void createDynamicLighting();
    
    std::vector<cocos2d::PointLight*> _pointLights;
    std::vector<cocos2d::SpotLight*> _spotLights;
};

#endif

// IndoorLighting.cpp
#include "IndoorLighting.h"

USING_NS_CC;

Scene* IndoorLighting::createScene() {
    return IndoorLighting::create();
}

bool IndoorLighting::init() {
    if (!Scene::init()) {
        return false;
    }
    
    // 创建房间
    createRoom();
    
    // 创建点光源(灯泡)
    createPointLights();
    
    // 创建聚光灯(台灯、射灯)
    createSpotLights();
    
    // 创建动态光照效果
    createDynamicLighting();
    
    return true;
}

void IndoorLighting::createRoom() {
    // 创建房间墙壁和天花板
    auto roomMaterial = PhysicsMaterial::create();
    roomMaterial->setShininess(5.0f);
    roomMaterial->setReflectivity(0.2f);
    
    // 地板
    auto floor = MeshRenderer::create();
    floor->setMesh(Mesh::createBox());
    floor->setMaterial(roomMaterial);
    floor->setPosition(0, -2.5f, 0);
    floor->setScale(10.0f, 0.1f, 10.0f);
    floor->setShadowReceivingEnabled(true);
    this->addChild(floor);
    
    // 天花板
    auto ceiling = MeshRenderer::create();
    ceiling->setMesh(Mesh::createBox());
    ceiling->setMaterial(roomMaterial);
    ceiling->setPosition(0, 2.5f, 0);
    ceiling->setScale(10.0f, 0.1f, 10.0f);
    ceiling->setRotation3D(Vec3(180.0f, 0.0f, 0.0f));
    ceiling->setShadowReceivingEnabled(true);
    this->addChild(ceiling);
    
    // 墙壁(简化示例)
    for (int i = 0; i < 4; ++i) {
        auto wall = MeshRenderer::create();
        wall->setMesh(Mesh::createBox());
        wall->setMaterial(roomMaterial);
        wall->setScale(10.0f, 5.0f, 0.1f);
        wall->setShadowReceivingEnabled(true);
        this->addChild(wall);
    }
}

void IndoorLighting::createPointLights() {
    // 创建多个点光源模拟室内灯泡
    std::vector<Vec3> lightPositions = {
        Vec3(-3.0f, 1.5f, -3.0f),  // 左上角
        Vec3(3.0f, 1.5f, -3.0f),   // 右上角
        Vec3(0.0f, 2.0f, 0.0f)     // 中央吊灯
    };
    
    std::vector<Color3B> lightColors = {
        Color3B(255, 220, 180),     // 暖白光
        Color3B(255, 240, 200),     // 更暖的光
        Color3B(255, 255, 240)      // 接近日光
    };
    
    std::vector<float> intensities = {0.8f, 0.6f, 1.0f};
    std::vector<float> ranges = {5.0f, 4.0f, 8.0f};
    
    for (int i = 0; i < lightPositions.size(); ++i) {
        auto pointLight = PointLight::create(lightPositions[i], lightColors[i]);
        pointLight->setIntensity(intensities[i]);
        pointLight->setRange(ranges[i]);
        pointLight->setShadowEnabled(true);
        pointLight->setShadowMapSize(1024);
        
        // 点光源阴影配置
        auto shadowCamera = pointLight->getShadowCamera();
        shadowCamera->setPerspective(45.0f, 1.0f, 0.1f, ranges[i]);
        
        this->addChild(pointLight);
        _pointLights.push_back(pointLight);
        
        CCLOG("点光源%d创建 - 位置:(%.1f,%.1f,%.1f) 颜色:(%d,%d,%d)", 
              i, lightPositions[i].x, lightPositions[i].y, lightPositions[i].z,
              lightColors[i].r, lightColors[i].g, lightColors[i].b);
    }
}

void IndoorLighting::createSpotLights() {
    // 创建聚光灯模拟台灯和射灯
    std::vector<Vec3> positions = {
        Vec3(-2.0f, 0.5f, 2.0f),    // 左台灯
        Vec3(2.0f, 0.5f, 2.0f),     // 右台灯
        Vec3(0.0f, 2.0f, -4.0f)     // 顶部射灯
    };
    
    std::vector<Vec3> directions = {
        Vec3(0.0f, -0.3f, -1.0f),   // 向下照射
        Vec3(0.0f, -0.3f, -1.0f),   // 向下照射
        Vec3(0.0f, -1.0f, 0.0f)     // 垂直向下
    };
    
    std::vector<float> innerAngles = {25.0f, 25.0f, 30.0f};
    std::vector<float> outerAngles = {35.0f, 35.0f, 45.0f};
    std::vector<float> distances = {8.0f, 8.0f, 15.0f};
    
    for (int i = 0; i < positions.size(); ++i) {
        auto spotLight = SpotLight::create(positions[i], directions[i], 
                                         innerAngles[i], outerAngles[i]);
        spotLight->setColor(Color3B(255, 230, 190)); // 暖白光
        spotLight->setIntensity(0.7f);
        spotLight->setDistance(distances[i]);
        spotLight->setShadowEnabled(true);
        spotLight->setShadowMapSize(1024);
        
        // 聚光灯阴影配置
        auto shadowCamera = spotLight->getShadowCamera();
        shadowCamera->setPerspective(innerAngles[i] * 2, 1.0f, 0.1f, distances[i]);
        
        this->addChild(spotLight);
        _spotLights.push_back(spotLight);
        
        CCLOG("聚光灯%d创建 - 内角:%.1f° 外角:%.1f° 距离:%.1f", 
              i, innerAngles[i], outerAngles[i], distances[i]);
    }
}

void IndoorLighting::createDynamicLighting() {
    // 创建动态光照效果(如闪烁的烛光)
    auto flickerLight = PointLight::create(Vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f), Color3B(255, 150, 50));
    flickerLight->setIntensity(0.5f);
    flickerLight->setRange(3.0f);
    this->addChild(flickerLight);
    
    // 添加闪烁动画
    auto flickerAction = RepeatForever::create(
        Sequence::create(
            CallFunc::create([flickerLight](){
                flickerLight->setIntensity(0.3f + CCRANDOM_0_1() * 0.4f);
            }),
            DelayTime::create(0.1f),
            nullptr
        )
    );
    
    flickerLight->runAction(flickerAction);
}

3.3 场景3:Cocos Creator中的PBR光照(现代渲染管线)

TypeScript实现

// PBRScene.ts - Cocos Creator PBR光照示例
const { ccclass, property } = cc._decorator;

@ccclass
export default class PBRScene extends cc.Component {
    
    @property(cc.Node)
    directionalLight: cc.Node = null;
    
    @property(cc.Node)
    pointLight: cc.Node = null;
    
    @property(cc.Node)
    character: cc.Node = null;
    
    @property(cc.Material)
    pbrMaterial: cc.Material = null;
    
    start() {
        this.setupDirectionalLight();
        this.setupPointLight();
        this.setupPBRMaterial();
        this.createLightProbes();
    }
    
    setupDirectionalLight() {
        if (!this.directionalLight) return;
        
        // 获取方向光组件
        const lightComp = this.directionalLight.getComponent(cc.DirectionalLight);
        if (lightComp) {
            // 设置光照参数
            lightComp.color = cc.Color.WHITE;
            lightComp.intensity = 1.2;
            lightComp.indirectIntensity = 0.5; // 间接光照强度
            
            // 设置阴影
            lightComp.shadowEnabled = true;
            lightComp.shadowType = cc.ShadowType.PCFSoft;
            lightComp.shadowResolution = cc.ShadowResolution.Medium;
            lightComp.shadowDistance = 50;
            
            // 设置光照方向(模拟太阳光)
            this.directionalLight.setRotationFromEuler(45, -30, 0);
            
            console.log('方向光配置完成 - 强度:', lightComp.intensity);
        }
    }
    
    setupPointLight() {
        if (!this.pointLight) return;
        
        const lightComp = this.pointLight.getComponent(cc.PointLight);
        if (lightComp) {
            lightComp.color = cc.Color.YELLOW;
            lightComp.intensity = 2.0;
            lightComp.range = 8.0;
            lightComp.enableShadow = true;
            lightComp.shadowResolution = cc.ShadowResolution.Low;
            
            // 添加动态移动效果
            this.animatePointLight();
        }
    }
    
    setupPBRMaterial() {
        if (!this.character || !this.pbrMaterial) return;
        
        // 获取角色的所有渲染组件
        const renderers = this.character.getComponentsInChildren(cc.RenderComponent);
        
        // 应用PBR材质
        renderers.forEach(renderer => {
            if (renderer instanceof cc.SkinnedMeshRenderer || 
                renderer instanceof cc.MeshRenderer) {
                renderer.setSharedMaterial(this.pbrMaterial);
                
                // 设置PBR材质参数
                const mat = renderer.getMaterial(0);
                if (mat) {
                    mat.setProperty('mainColor', cc.Color.WHITE);
                    mat.setProperty('metallic', 0.2);    // 非金属材质
                    mat.setProperty('roughness', 0.6);   // 中等粗糙度
                    mat.setProperty('normalStrength', 1.0);
                }
            }
        });
        
        console.log('PBR材质应用完成 - 金属度:0.2 粗糙度:0.6');
    }
    
    createLightProbes() {
        // 创建光照探针组(用于动态物体的间接光照)
        const probeGroup = new cc.Node('LightProbeGroup');
        this.node.addChild(probeGroup);
        
        // 在实际项目中,这里会创建多个光照探针节点
        // 用于采样场景中的间接光照信息
        
        // 示例:添加几个探针位置
        const probePositions = [
            cc.v3(-5, 1, -5),
            cc.v3(5, 1, -5),
            cc.v3(0, 2, 0),
            cc.v3(-5, 1, 5),
            cc.v3(5, 1, 5)
        ];
        
        probePositions.forEach(pos => {
            const probe = new cc.Node('Probe');
            probe.setWorldPosition(pos);
            probeGroup.addChild(probe);
        });
    }
    
    animatePointLight() {
        if (!this.pointLight) return;
        
        // 创建点光源环绕动画
        const moveAction = cc.repeatForever(
            cc.sequence(
                cc.moveBy(3, cc.v2(3, 0)),
                cc.moveBy(3, cc.v2(0, 3)),
                cc.moveBy(3, cc.v2(-3, 0)),
                cc.moveBy(3, cc.v2(0, -3))
            )
        );
        
        this.pointLight.runAction(moveAction);
        
        // 强度变化动画
        const intensityAction = cc.repeatForever(
            cc.sequence(
                cc.callFunc(() => {
                    const lightComp = this.pointLight.getComponent(cc.PointLight);
                    if (lightComp) {
                        lightComp.intensity = 1.5 + Math.random() * 1.0;
                    }
                }),
                cc.delayTime(0.5)
            )
        );
        
        this.node.runAction(intensityAction);
    }
    
    // 动态切换光照预设
    switchLightingPreset(preset: 'day' | 'evening' | 'night') {
        const ambientLight = cc.director.getScene().getComponentInChildren(cc.AmbientLight);
        if (!ambientLight) return;
        
        switch (preset) {
            case 'day':
                ambientLight.color = cc.Color.WHITE;
                ambientLight.intensity = 0.4;
                break;
            case 'evening':
                ambientLight.color = cc.color(255, 200, 100);
                ambientLight.intensity = 0.3;
                break;
            case 'night':
                ambientLight.color = cc.color(50, 70, 120);
                ambientLight.intensity = 0.2;
                break;
        }
        
        console.log(`光照预设切换为: ${preset}`);
    }
}

四、原理解释与核心特性

4.1 光照计算流程

graph TD
    A[顶点着色器] --> B[光照计算]
    B --> C[环境光计算]
    B --> D[漫反射计算]
    B --> E[镜面反射计算]
    C --> F[合成光照颜色]
    D --> F
    E --> F
    F --> G[片段着色器]
    G --> H[纹理采样]
    G --> I[PBR参数计算]
    H --> J[最终颜色输出]
    I --> J

4.2 阴影映射原理

graph LR
    A[从光源视角渲染] --> B[生成深度图]
    C[从相机视角渲染] --> D[转换到光源空间]
    B --> E[深度比较]
    D --> E
    E --> F[确定阴影区域]
    F --> G[应用阴影颜色]

4.3 核心特性对比

特性
Cocos2d-x 3D
Cocos Creator
性能影响
方向光阴影
CSM/CSM优化
可视化CSM配置
中-高
点光源阴影
Cube Shadow Map
自动LOD管理
PBR支持
基础PBR材质
完整PBR工作流
光照探针
手动实现
可视化探针布置
低-中
光照贴图
外部烘焙
内置光照贴图烘焙
低(预计算)

五、环境准备

5.1 Cocos2d-x 3D环境配置

# 环境要求
- Cocos2d-x v3.17+ 或 v4.x
- OpenGL ES 3.0+ 支持
- C++11 或更高版本

# 项目配置
# 在 CMakeLists.txt 中启用3D模块
set(USE_PHYSICS ON)
set(USE_3D_PHYSICS ON)
set(USE_RENDERER OFF) # 使用新的3D渲染器

5.2 Cocos Creator配置

// project.json 中确保启用3D功能
{
  "engineVersion": "2.4+",
  "physics": {
    "enabled": true,
    "type": "ammo" // 或 cannon.js
  },
  "rendering": {
    "quality": "high",
    "enableMultiThreadRender": true
  }
}

六、实际详细应用代码示例

综合案例:动态天气系统中的光照变化

// WeatherLightingSystem.h
#ifndef __WEATHER_LIGHTING_SYSTEM_H__
#define __WEATHER_LIGHTING_SYSTEM_H__

#include "cocos2d.h"
#include "cocos2d/cocos/3d/CCLight.h"

class WeatherLightingSystem : public cocos2d::Component {
public:
    enum WeatherType {
        SUNNY,
        CLOUDY, 
        RAINY,
        NIGHT
    };
    
    static WeatherLightingSystem* create();
    virtual bool init() override;
    
    void setWeatherType(WeatherType type);
    void updateLighting(float deltaTime);
    
private:
    void setupSunnyWeather();
    void setupCloudyWeather();
    void setupRainyWeather();
    void setupNightWeather();
    
    void interpolateLighting(const cocos2d::DirectionalLight* targetLight,
                            float transitionTime);
    
    WeatherType _currentWeather;
    WeatherType _targetWeather;
    float _transitionTimer;
    float _transitionDuration;
    
    cocos2d::DirectionalLight* _sunLight;
    cocos2d::AmbientLight* _ambientLight;
    cocos2d::ParticleSystem3D* _weatherParticles;
};

#endif

// WeatherLightingSystem.cpp
#include "WeatherLightingSystem.h"

USING_NS_CC;

WeatherLightingSystem* WeatherLightingSystem::create() {
    auto* component = new WeatherLightingSystem();
    if (component && component->init()) {
        component->autorelease();
        return component;
    }
    CC_SAFE_DELETE(component);
    return nullptr;
}

bool WeatherLightingSystem::init() {
    if (!Component::init()) {
        return false;
    }
    
    _currentWeather = SUNNY;
    _targetWeather = SUNNY;
    _transitionTimer = 0.0f;
    _transitionDuration = 3.0f; // 3秒过渡时间
    
    // 获取场景中的光源
    auto scene = Director::getInstance()->getRunningScene();
    if (scene) {
        _sunLight = static_cast<DirectionalLight*>(scene->getChildByName("SunLight"));
        _ambientLight = static_cast<AmbientLight*>(scene->getChildByName("AmbientLight"));
    }
    
    return true;
}

void WeatherLightingSystem::setWeatherType(WeatherType type) {
    if (_currentWeather != type) {
        _targetWeather = type;
        _transitionTimer = 0.0f;
        
        CCLOG("天气切换: %d -> %d", _currentWeather, _targetWeather);
    }
}

void WeatherLightingSystem::updateLighting(float deltaTime) {
    if (_currentWeather == _targetWeather) return;
    
    _transitionTimer += deltaTime;
    float t = MIN(_transitionTimer / _transitionDuration, 1.0f);
    
    // 根据目标天气类型插值光照参数
    switch (_targetWeather) {
        case CLOUDY:
            interpolateLighting(createCloudyTarget(), t);
            break;
        case RAINY:
            interpolateLighting(createRainyTarget(), t);
            break;
        case NIGHT:
            interpolateLighting(createNightTarget(), t);
            break;
        case SUNNY:
            interpolateLighting(createSunnyTarget(), t);
            break;
    }
    
    if (t >= 1.0f) {
        _currentWeather = _targetWeather;
        CCLOG("天气切换完成: %d", _currentWeather);
    }
}

void WeatherLightingSystem::interpolateLighting(const cocos2d::DirectionalLight* targetLight, 
                                              float t) {
    if (!_sunLight || !targetLight) return;
    
    // 线性插值光照参数
    Vec3 currentDir = _sunLight->getDirection();
    Vec3 targetDir = targetLight->getDirection();
    Vec3 newDir = currentDir.lerp(targetDir, t);
    _sunLight->setDirection(newDir);
    
    Color3B currentColor = _sunLight->getColor();
    Color3B targetColor = targetLight->getColor();
    Color3B newColor = Color3B(
        currentColor.r + (targetColor.r - currentColor.r) * t,
        currentColor.g + (targetColor.g - currentColor.g) * t,
        currentColor.b + (targetColor.b - currentColor.b) * t
    );
    _sunLight->setColor(newColor);
    
    float currentIntensity = _sunLight->getIntensity();
    float targetIntensity = targetLight->getIntensity();
    float newIntensity = currentIntensity + (targetIntensity - currentIntensity) * t;
    _sunLight->setIntensity(newIntensity);
}

// 创建各种天气的目标光照配置
DirectionalLight* WeatherLightingSystem::createSunnyTarget() {
    auto light = DirectionalLight::create(Vec3(-0.5f, -0.7f, -0.5f), 
                                          Color3B(255, 250, 240));
    light->setIntensity(1.3f);
    return light;
}

DirectionalLight* WeatherLightingSystem::createCloudyTarget() {
    auto light = DirectionalLight::create(Vec3(-0.3f, -0.5f, -0.8f), 
                                          Color3B(180, 190, 210));
    light->setIntensity(0.8f);
    return light;
}

DirectionalLight* WeatherLightingSystem::createRainyTarget() {
    auto light = DirectionalLight::create(Vec3(0.0f, -0.3f, -0.9f), 
                                          Color3B(100, 110, 130));
    light->setIntensity(0.4f);
    return light;
}

DirectionalLight* WeatherLightingSystem::createNightTarget() {
    auto light = DirectionalLight::create(Vec3(0.2f, -0.2f, -0.9f), 
                                          Color3B(80, 90, 120));
    light->setIntensity(0.1f);
    return light;
}

七、测试步骤与详细代码

测试1:基础光照验证

  1. 步骤:运行户外光照场景,观察方向光和环境光效果
  2. 预期:场景有明显的明暗层次和方向性光照

测试2:阴影质量测试

  1. 步骤:调整阴影贴图分辨率和阴影距离
  2. 预期:阴影边缘清晰,无明显锯齿或acne现象

测试3:性能压力测试

  1. 步骤:增加光源数量和阴影光源数量
  2. 预期:在目标设备上保持可接受帧率(移动端30FPS+)

测试4:天气系统过渡

  1. 步骤:调用 setWeatherType()切换不同天气
  2. 预期:光照参数平滑过渡,无突兀变化

八、部署场景

8.1 平台适配策略

平台
优化策略
推荐配置
高端移动
多光源+PCF软阴影
2个阴影光源,2048阴影贴图
中端移动
1-2个阴影光源+硬阴影
1024阴影贴图,关闭抗锯齿
低端移动
仅方向光阴影+简单材质
512阴影贴图,顶点光照
PC/主机
完整PBR+多光源+CSM阴影
4+阴影光源,8192阴影贴图
WebGL
简化光照模型+烘焙光照贴图
预计算光照,实时光源≤2个

九、疑难解答

9.1 常见问题及解决方案

问题现象
可能原因
解决方案
阴影出现acne(条纹)
深度偏移不足或bias设置不当
调整 setShadowDepthOffset()
阴影过于生硬/模糊
PCF采样数不足或过度
调整PCF kernel大小和强度
移动端性能急剧下降
过多实时阴影光源
使用光照贴图烘焙静态阴影
PBR材质看起来不真实
参数设置不符合物理规律
参考真实材质参数表调整
光照方向计算错误
坐标系转换问题
检查矩阵变换和向量方向

9.2 性能优化技巧

// 动态光源LOD系统
void updateLightLOD(Light* light, const Vec3& cameraPos) {
    float distance = cameraPos.distance(light->getPosition());
    
    if (distance > light->getRange() * 0.5f) {
        // 远距离:降低阴影质量或禁用阴影
        if (light->isShadowEnabled()) {
            light->setShadowMapSize(512); // 降低分辨率
        }
    } else if (distance > light->getRange() * 0.2f) {
        // 中距离:中等质量
        light->setShadowMapSize(1024);
    } else {
        // 近距离:最高质量
        light->setShadowMapSize(2048);
    }
}

// 分帧更新阴影
void distributeShadowUpdates(const std::vector<Light*>& lights) {
    static int currentLightIndex = 0;
    
    if (lights.empty()) return;
    
    // 每帧只更新一个光源的阴影
    lights[currentLightIndex]->setShadowUpdateEnabled(true);
    currentLightIndex = (currentLightIndex + 1) % lights.size();
    
    // 其他光源暂停阴影更新
    for (int i = 0; i < lights.size(); ++i) {
        if (i != currentLightIndex) {
            lights[i]->setShadowUpdateEnabled(false);
        }
    }
}

十、未来展望与技术趋势

10.1 技术发展方向

  1. 实时光线追踪:移动端RTX/光追技术的普及
  2. 神经渲染:AI辅助的实时光照和材质生成
  3. 体积光照:云层、雾气中的光线散射效果
  4. 可微分渲染:通过梯度优化光照和材质参数
  5. 跨平台统一:Vulkan/Metal/DX12的统一渲染抽象

10.2 新兴应用场景

  • 元宇宙场景:大规模多人虚拟世界的光照同步
  • 数字孪生:真实城市/建筑的光照模拟
  • 虚拟制片:影视级实时光照渲染
  • AR/VR优化:针对近眼显示的光照特殊处理
  • 云游戏:服务器端光照计算,客户端轻量化渲染

十一、总结

Cocos2d-x的光照与阴影系统为开发者提供了从基础3D光照到现代PBR渲染的完整工具链:

核心技术价值

  • 视觉真实感:通过物理准确的光照模型提升场景可信度
  • 情感表达:利用光照营造氛围,增强叙事表现力
  • 性能可控:多层次的光照技术适应不同平台需求
  • 创作效率:Cocos Creator的可视化工具降低技术门槛

关键技术要点

  1. 光照模型选择:根据项目需求在Phong、Blinn-Phong、PBR间权衡
  2. 阴影质量平衡:在视觉质量和性能间找到最佳平衡点
  3. 平台适配策略:针对不同硬件能力采用分层优化
  4. 工作流整合:将光照系统集成到美术制作管线中

实践建议

  • 从小做起:先实现基础光照,逐步添加高级特性
  • 重视性能:实时光照是性能消耗大户,需谨慎规划
  • 善用工具:充分利用Cocos Creator的调试和预览功能
  • 关注趋势:跟踪移动GPU技术发展,适时升级技术方案
掌握Cocos2d-x的光照与阴影技术,不仅能够创建令人印象深刻的视觉效果,更能为玩家带来沉浸式的游戏体验。随着移动设备性能的持续提升和新一代图形API的普及,实时光照技术将在Cocos引擎中发挥越来越重要的作用,成为区分优秀游戏与普通作品的关键因素。
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