计算机图形学——OpenGL之光照

Bertha 。 2022-06-16 21:28 340阅读 0赞

# 计算机图形学——OpenGL之光照 #

## 1、光照系统 ##

光照系统可以分为三部分：

>  *  光源就是光的来源，可以是太阳或者电灯等。
>  *  材质是指接受光照的各种物体的表面，由于物体如何反射光线只由物体表面决定（OpenGL中没有考虑光的折射），材质特点就决定了物体反射光线的特点。
>  *  光照环境是指一些额外的参数，它们将影响最终的光照画面，比如一些光线经过多次反射后，已经无法分清它究竟是由哪个光源发出，这时，指定一个“环境亮度”参数，可以使最后形成的画面更接近于真实情况。

相关概念：

>  *  镜面反射：光线入射理想的光滑平面，反射后的光线是很规则的  
>     
>  *  漫反射：光线入射粗糙的、不光滑的平面，反射后的光线是杂乱的

## 2、设置光源 ##

在OpenGL中，仅仅支持有限数量的光源。 使用GL\_LIGHT0表示第0号光源，GL\_LIGHT1表示第1号光源，依次类推。 OpenGL至多会支持8个光源，即GL\_LIGHT0到GL\_LIGHT7。 使用glEnable函数可以开启它们。例如，glEnable(GL\_LIGHT0);可以开启第0号光源。 使用glDisable函数则可以关闭光源。

每一个光源都可以设置其属性，这一动作是通过glLight\*函数完成的。glLight\*函数具有三个参数，第一个参数指明是设置哪一个光源的属性，第二个参数指明是设置该光源的哪一个属性，第三个参数则是指明把该属性值设置成多少。光源的属性：

> 1.  GL\_AMBIENT表示该光源所发出的光，经过非常多次的反射后，最终遗留在整个光照环境中的强度
>     
>     GL\_DIFFUSE表示该光源所发出的光，照射到粗糙表面时经过漫反射，所得到的光的强度
>     
>     GL\_SPECULAR表示该光源所发出的光，照射到光滑表面时经过镜面反射，所得到的光的强度。 其中每个属性由四个值表示，分别代表了颜色的R, G, B, A值。
> 2.  GL\_POSITION属性。表示光源所在的位置。由四个值（X, Y, Z, W）表示。如果第四个值W为零，则表示该光源位于无限远处，前三个值表示了它所在的方向。这种光源称为方向性光源，通常，太阳可以近似的被认为是方向性光源。
>     
>     如果第四个值W不为零，则X/W, Y/W, Z/W表示了光源的位置。这种光源称为位置性光源。对于位置性光源，设置其位置与设置多边形顶点的方式相似，各种矩阵变换函数例如：glTranslate\*、glRotate\*等在这里也同样有效。
>     
>     方向性光源在计算时比位置性光源快了不少，因此，在视觉效果允许的情况下，应该尽可能的使用方向性光源。
> 
>  *  GL\_SPOT\_DIRECTION、GL\_SPOT\_EXPONENT、GL\_SPOT\_CUTOFF属性。表示将光源作为聚光灯使用（这些属性只对位置性光源有效）。
>  *  GL\_CONSTANT\_ATTENUATION、GL\_LINEAR\_ATTENUATION、GL\_QUADRATIC\_ATTENUATION属性。这三个属性表示了光源所发出的光线的直线传播特性（这些属性只对位置性光源有效）

## 3、设置材质 ##

光源是通过glLight\*函数来设置的，而材质则是通过glMaterial\*函数来设置的。glMaterial\*函数有三个参数。第一个参数表示指定哪一面的属性。可以是GL\_FRONT、GL\_BACK或者GL\_FRONT\_AND\_BACK。分别表示设置“正面”“背面”的材质，或者两面同时设置。

下面分别说明glMaterial\*函数可以指定的材质属性。

> 1.  GL\_AMBIENT表示各种光线照射到该材质上，经过很多次反射后最终遗留在环境中的光线强度。
>     
>     GL\_DIFFUSE表示光线照射到该材质上，经过漫反射后形成的光线强度。
>     
>     GL\_SPECULAR表示光线照射到该材质上，经过镜面反射后形成的光线强度。
>     
>     通常，GL\_AMBIENT和GL\_DIFFUSE都取相同的值，可以达到比较真实的效果。
>     
>     使用GL\_AMBIENT\_AND\_DIFFUSE可以同时设置GL\_AMBIENT和GL\_DIFFUSE属性。
>     
>       
>     
> 2.  GL\_SHININESS属性。该属性只有一个值，称为“镜面指数”，取值范围是0到128。
>     
>     该值越小，表示材质越粗糙，点光源发射的光线照射到上面，也可以产生较大的亮点。该值越大，表示材质越类似于镜面，光源照射到上面后，产生较小的亮点。
> 
>  *  GL\_EMISSION属性。该属性由四个值组成，表示一种颜色。OpenGL认为该材质本身就微微的向外发射光线，以至于眼睛感觉到它有这样的颜色，但这光线又比较微弱，以至于不会影响到其它物体的颜色。

## 4、光照模型 ##

在OpenGL中，光照模型包括四个部分的内容：

> > 1.  全局环境光线：那些充分散射，无法分清究竟来自哪个光源的光线的强度  
> >     
> > 2.  观察点位置是在较近位置还是在无限远处  
> >     
> > 3.  物体正面与背面是否分别计算光照  
> >     
> > 4.  镜面颜色（即GL\_SPECULAR属性所指定的颜色)的计算是否从其它光照计算中分离出来，并在纹理操作以后在进行应用

可以通过函数glLightModel\*来进行设置。该函数有两个参数，第一个表示要设置的项目，第二个参数表示要设置成的值。

> >  *  GL\_LIGHT\_MODEL\_AMBIENT表示全局环境光线强度，由四个值组成。
> >  *  GL\_LIGHT\_MODEL\_LOCAL\_VIEWER表示是否在近处观看，若是则设置为GL\_TRUE，否则（即在无限远处观看）设置为GL\_FALSE。
> > 
> >  *  GL\_LIGHT\_MODEL\_COLOR\_CONTROL表示颜色计算方式。
> >  *  GL\_LIGHT\_MODEL\_TWO\_SIDE表示是否执行双面光照计算。如果设置为GL\_TRUE，则OpenGL不仅将根据法线向量计算正面的光照，也会将法线向量反转并计算背面的光照。

OpenGL默认是关闭光照处理的。要打开光照处理功能，使用下面的语句：

> > glEnable(GL\_LIGHTING);

同样要关闭光照处理功能，使用glDisable(GL\_LIGHTING)。

## 5、实例演示： ##

![20170420093411238][]

源码：

#include <GL/glut.h>
    
    void GL_display();
    void GL_reshape(GLsizei w, GLsizei h);
    void GL_myInitial();
    
    void main(void)
    {
    	glutCreateWindow("Gouraud光照模型");
    	GL_myInitial();
    	glutDisplayFunc(GL_display);
    	glutReshapeFunc(GL_reshape);
    	glutMainLoop();
    }
    
    void GL_myInitial()
    {
    	GLfloat light_position[] = {1.0,1.0,1.0,0.0};
    	GLfloat light_ambient [] = { 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 };
    	GLfloat light_diffuse [] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
    	GLfloat light_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
    	
    	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);
    	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT , light_ambient );
        glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE , light_diffuse );
        glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, light_specular);
    
    
    	glEnable(GL_LIGHTING);
    	glEnable(GL_LIGHT0);
    	glDepthFunc(GL_LESS);
    	glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    }
    
    void GL_display()
    {
    	
    	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    	glutSolidTeapot(0.5);
    	glFlush();
    
    }
    
    void GL_reshape(GLsizei w, GLsizei h)
    {
    		
    	glViewport(0, 0, w, h);
    	
    	glMatrixMode(GL_PROJECTION);
    	glLoadIdentity();
    	if (w <= h)
        glOrtho (-1.5, 1.5, -1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w, 1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w, -10.0, 10.0);
    	else
        glOrtho (-1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h, 1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h, -1.5, 1.5, -10.0, 10.0);
    
    	glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    	glLoadIdentity();
    	
    }

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