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OpenGL特殊光處理

　目錄
　　14.1 光照模型
　　14.2 光源位置與衰減
　　14.3 聚光和多光源
　　14.4 光源位置與方向的控制
　　14.5 輻射光

　

　　本章內(nèi)容是基礎(chǔ)篇第七章的補充和提高。這一章主要講述一些特殊光效果處理，如全局環(huán)境光、雙面光照、光的衰減、聚光、多光源、光源位置的改變等等。讀者若有興趣，可以按照本章例程的方法作出許多變換，則會出現(xiàn)意想不到的效果，充分發(fā)揮你的藝術(shù)才能。

14.1、光照模型
　　OpenGL光照模型的概念由一下三部分組成：1）全局泛光強度、2）視點位置在景物附近還是在無窮遠處、3）物體的正面和背面是否分別進行光照計算。

　　14.1.1 全局環(huán)境光
　　正如前面基礎(chǔ)篇中所提到的一樣，每個光源都能對一個場景提供環(huán)境光。此外，還有一個環(huán)境光，它不來自任何特定的光源，即稱為全局環(huán)境光。下面用參數(shù)GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT來說明全局環(huán)境光的RGBA強度：

GLfloat lmodel_ambient[]={0.2,0.2,0.2,1.0};
glLightModelfv(GLLIGHT_MODEL_AMBIENT,lmodel_ambient);

　　在這個例子中，lmodel_ambient所用的值為GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT的缺省值。這些數(shù)值產(chǎn)生小量的白色環(huán)境光。

　　14.1.2 近視點與無窮遠視點
　　視點位置能影響鏡面高光的計算，也就是說，頂點的高光強度依賴于頂點法向量，從頂點到光源的方向和從頂點到視點的方向。實際上，調(diào)用光照函數(shù)并不能移動視點。但是可以對光照計算作出不同的假定，這樣視點似乎移動了。對于一個無窮遠視點，視點到任何頂點的方向保持固定，缺省時為無窮遠視點。對于一個近視點，物體每個頂點到視點的方向是不同的，需要逐個計算，從而整體性能降低，但效果更真實。下面一句函數(shù)代碼是假定為近視點：
　

glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER,GL_TRUE);

　　這個調(diào)用把視點放在視點坐標系的原點處。若要切換到無窮遠視點，只需將參數(shù)GL_TRUE 改為GL_FALSE即可。

　　14.1.3 雙面光照
　　光照計算通常是對所有多邊形進行的，無論其是正面或反面。一般情況下，設(shè)置光照條件時總是正面多邊形，因此不能對背面多邊形進行正確地光照。在基礎(chǔ)篇的第七章中的例子里，物體是一個球，只有正面多邊形能看到，即球的外部可見，這種情況下不必考慮背面光照。若球被砍開，其內(nèi)部的曲面是可見的，那么對內(nèi)部多邊形需進行光照計算，這時應(yīng)該調(diào)用如下函數(shù)：

glLightModeli(LIGHT_MODEL_TWO_SIDE,GL_TRUE);

　　啟動雙面光照。實際上，這就是OpenGL給背面多邊形定義一個相反的法向量（相對于正面多邊形而言）。一般來說，這意味著可見正面多邊形和可見反面多邊形的法向量都面朝觀察者，而不是向里，這樣所有多邊形都能進行正確的光照。關(guān)閉雙面光照，只需將參數(shù)GL_TRUE改為GL_FALSE即可。

14.2、光源位置與衰減
　　在基礎(chǔ)篇中已經(jīng)提到過，光源有無窮遠光源和近光源兩種形式。無窮遠光源又稱作定向光源，即這種光到達物體時是平行光，例如現(xiàn)實生活中的太陽光。近光源又稱作定位光源，光源在場景中的位置影響場景的光照效果，尤其影響光到達物體的方向。臺燈是定位光源的范例。在以前所有與光照有關(guān)的例子里都采用的是定向光源，如：
　

GLfloat light_position[]={1.0,1.0,1.0,0.0};
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position);

　　光源位置坐標采用的齊次坐標(x, y, z, w)，這里的w為0，所以相應(yīng)的光源是定向光，(x, y, z)描述光源的方向，這個方向也要進行模型變換。GL_POSITION的缺省值是(0.0, 0.0, 1.0, 0.0)，它定義了一個方向指向Z負軸的平行光源。若w非零，光源為定位光源。(x, y, z, w)指定光源在齊次坐標系下的具體位置，這個位置經(jīng)過模型變換等在視點坐標系下保存下來。
　　真實的光，離光源越遠則光強越小。因為定向光源是無窮遠光源，因此距離的變換對光強的影響幾乎沒有，所以定向光沒有衰減，而定位光有衰減。OpenGL的光衰減是通過光源的發(fā)光量乘以衰減因子計算出來的。其中衰減因子在第十章表10-2中說明過。缺省狀態(tài)下，常數(shù)衰減因子是1.0，其余兩個因子都是0.0。用戶也可以自己定義這些值，如：
　

glLightf(GL_LIGHT0,GL_CONSTANT_ATTENUATION,2.0);
glLightf(GL_LIGHT0,GL_LINEAR_ATTENUATION,1.0);
glLightf(GL_LIGHT0,GL_QUADRATIC_ATTENUATION,0.5);

　　注意：環(huán)境光、漫反射光和鏡面光的強度都衰減，只有輻射光和全局環(huán)境光的強度不衰減。

14.3、聚光和多光源

　　14.3.1 聚光
　　定位光源可以定義成聚光燈形式，即將光的形狀限制在一個圓錐內(nèi)。OpenGL中聚光的定義有以下幾步：
　　1）定義聚光源位置。因為聚光源也是定向光源，所以他的位置同一般定向光一樣。如：

　

GLfloat light_position[]={1.0,1.0,1.0,1.0};
glLightfv(GL_LIGHT0,LIGHT_POSITION,light_position);

　　2）定義聚光截止角。參數(shù)GL_SPOT_CUTOFF給定光錐的軸與中心線的夾角，也可說成是光錐頂角的一半，如圖14-1所示。缺省時，這個參數(shù)為180.0，即頂角為360度，光向所有的方向發(fā)射，因此聚光關(guān)閉。一般在聚光啟動情況下，聚光截止角限制在[0.0, 90.0] 之間，如下面一行代碼設(shè)置截止角為45度：
　

glLightf(GL_LIGHT0,GL_SPOT_CUTOFF,45.0);

　　3）定義聚光方向。聚光方向決定光錐的軸，它齊次坐標定義，其缺省值為(0.0, 0.0, -1.0),即指向Z負軸。聚光方向也要進行幾何變換，其結(jié)果保存在視點坐標系中。它的定義如下：
　

GLfloat spot_direction[]={-1.0,-1.0,0.0};
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_SPOT_DIRECTION,spot_direction);

　　4）定義聚光指數(shù)。參數(shù)GL_SPOT_EXPONENT控制光的集中程度，光錐中心的光強最大，越靠邊的光強越小，缺省時為0。如：
　

glLightf(GL_LIGHT0,GL_SPOT_EXPONENT,2.0);

　此外，除了定義聚光指數(shù)控制光錐內(nèi)光強的分布，還可利用上一節(jié)所講的衰減因子的設(shè)置來實現(xiàn)，因為衰減因子與光強相乘得最終光強值。

　　14.3.2 多光源及例程
　　在前面已提到過場景中最多可以設(shè)置八個光源（根據(jù)OpenGL的具體實現(xiàn)也許會更多一些）。在多光源情況下，OpenGL需計算每個頂點從每個光源接受的光強，這樣會增加計算量，降低性能，因此在實時仿真中最好盡可能地減少光源數(shù)目。在前面都已討論過八個光源的常數(shù)：GL_LIGHT0、GL_LIGHT1、…、LIGHT7，注意：GL_LIGHT0的參數(shù)缺省值與其它光源的參數(shù)缺省值不同。下面這段代碼定義了紅色的聚光：

　

GLfloat light1_ambient[]= { 0.2, 0.2, 0.2, 1.0 };
GLfloat light1_diffuse[]= { 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 };
GLfloat light1_specular[] = { 1.0, 0.6, 0.6, 1.0 };
GLfloat light1_position[] = { -3.0, -3.0, 3.0, 1.0 };
 
GLfloat spot_direction[]={ 1.0,1.0,-1.0}; 
 
glLightfv(GL_LIGHT1, GL_AMBIENT, light1_ambient);
glLightfv(GL_LIGHT1, GL_DIFFUSE, light1_diffuse);
glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPECULAR,light1_specular);
glLightfv(GL_LIGHT1, GL_POSITION,light1_position);
 
glLightf (GL_LIGHT1, GL_SPOT_CUTOFF, 30.0);
glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPOT_DIRECTION,spot_direction);
 
glEnable(GL_LIGHT1);
 
// 這段代碼描述的是一個紅色的立方體，用它來代表所定義的聚光光源 //
// 可加到程序的函數(shù)display()中去。 //
 
glPushMatrix();
glTranslated (-3.0, -3.0, 3.0);
glDisable (GL_LIGHTING);
glColor3f (1.0, 0.0, 0.0);
auxWireCube (0.1);
glEnable (GL_LIGHTING);
glPopMatrix ();
 
//////////////////////////////////////////////////////////////////

　　將這些代碼加到基礎(chǔ)篇第十章光照的例程（light2.c）中去：

　　例14-1 聚光和多光源運用例程（spmulght.c）
　

#include "glos.h"
#include <GL/gl.h>
#include <GL/glu.h>
#include <GL/glaux.h>
 
void myinit(void);
void CALLBACK myReshape(GLsizei w, GLsizei h);
void CALLBACK display(void);
 
/* 初始化光源、材質(zhì)等 */
void myinit(void)
{
  GLfloat mat_ambient[]= { 0.2, 0.2, 0.2, 1.0 };
  GLfloat mat_diffuse[]= { 0.8, 0.8, 0.8, 1.0 };
  GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
  GLfloat mat_shininess[] = { 50.0 };
 
  GLfloat light0_diffuse[]= { 0.0, 0.0, 1.0, 1.0};
  GLfloat light0_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };
 
  GLfloat light1_ambient[]= { 0.2, 0.2, 0.2, 1.0 };
  GLfloat light1_diffuse[]= { 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 };
  GLfloat light1_specular[] = { 1.0, 0.6, 0.6, 1.0 };
  GLfloat light1_position[] = { -3.0, -3.0, 3.0, 1.0 };
 
  GLfloat spot_direction[]={ 1.0,1.0,-1.0};
 
  glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, mat_ambient);
  glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse);
  glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);
  glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS,mat_shininess);
 
  glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, light0_diffuse);
  glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION,light0_position);
 
  glLightfv(GL_LIGHT1, GL_AMBIENT, light1_ambient);
  glLightfv(GL_LIGHT1, GL_DIFFUSE, light1_diffuse);
  glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPECULAR,light1_specular);
  glLightfv(GL_LIGHT1, GL_POSITION,light1_position);
 
  glLightf (GL_LIGHT1, GL_SPOT_CUTOFF, 30.0);
  glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPOT_DIRECTION,spot_direction);
 
  glEnable(GL_LIGHTING);
  glEnable(GL_LIGHT0);
  glEnable(GL_LIGHT1);
  glDepthFunc(GL_LESS);
  glEnable(GL_DEPTH_TEST);
}
 
void CALLBACK display(void)
{
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
 
  glPushMatrix();
  glTranslated (-3.0, -3.0, 3.0);
  glDisable (GL_LIGHTING);
  glColor3f (1.0, 0.0, 0.0);
  auxWireCube (0.1); 
  glEnable (GL_LIGHTING);
  glPopMatrix ();
 
  auxSolidSphere(2.0);
  glFlush();
}
 
void CALLBACK myReshape(GLsizei w, GLsizei h)
{
  glViewport(0, 0, w, h);
  glMatrixMode(GL_PROJECTION);
  glLoadIdentity();
  if (w <= h)
    glOrtho (-5.5, 5.5, -5.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w, 5.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w,
    -10.0, 10.0);
  else
    glOrtho (-5.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h, 5.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h,
    -5.5, 5.5, -10.0, 10.0);
  glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
  glLoadIdentity();
}
 
void main(void)
{
  auxInitDisplayMode (AUX_SINGLE | AUX_RGBA);
  auxInitPosition (0, 0, 500, 500);
  auxInitWindow ("Spotlight and Multi_lights ");
  myinit();
  auxReshapeFunc (myReshape);
  auxMainLoop(display);
}

　　以上程序運行結(jié)果是球被兩個光源照射，一個是藍色的定向光，另一個紅色的是聚光。

　


圖14-1 聚光與多光源

14.4、光源位置與方向的控制
　　OpenGL光源的位置和方向與其它幾何圖元的位置和方向一樣都必須經(jīng)過變換矩陣的作用。尤其是當用glLight*()說明光源的位置和方向時，位置和方向都要經(jīng)過當前變換矩陣的作用并保存在視點坐標系中，注意投影矩陣變換對它們不起作用。OpenGL可通過調(diào)整光源函數(shù)和視點變換函數(shù)在程序中的相對位置來獲得三種不同的效果：1）光源位置保持固定、2）光源繞靜止物體移動、3）光源隨視點移動。
　　在第一種情況下，為獲得光源位置固定的效果，必須在所有視點和模型變換之后設(shè)置光源位置。第二種情況下，有兩種方法可以達到這種效果，一種是在模型變換后設(shè)置光源位置，變換的改變將修改光源位置；另一種是使物體和視點繞光源移動，相對地光源就能繞物體移動了。第三種情況下，要建立一個沿視線移動的光源，必須在視點變換之前設(shè)置光源位置，則視點變換按同樣的方式影響光源和視點。下面有一個光源移動的例子：

　　例14-1 光源移動例程（mvlight.c）
　

 
#include "glos.h"
#include <GL/gl.h>
#include <GL/glu.h>
#include <GL/glaux.h>
 
void myinit(void);
void CALLBACK movelight (AUX_EVENTREC *event);
void CALLBACK display(void);
void CALLBACK myReshape(GLsizei w, GLsizei h);
 
static int step = 0;
 
void CALLBACK movelight (AUX_EVENTREC *event)
{
  step = (step + 15) % 360;
}
 
void myinit (void)
{
  GLfloat mat_diffuse[]={0.0,0.5,1.0,1.0};
  GLfloat mat_ambient[]={0.0,0.2,1.0,1.0};
  GLfloat light_diffuse[]={1.0,1.0,1.0,1.0};
  GLfloat light_ambient[]={0.0,0.5,0.5,1.0};
 
  glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK,GL_DIFFUSE,mat_diffuse);
  glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,light_diffuse);
  glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,light_ambient);
  glEnable(GL_LIGHTING);
  glEnable(GL_LIGHT0);
 
  glDepthFunc(GL_LESS);
  glEnable(GL_DEPTH_TEST);
}
 
void CALLBACK display(void)
{
  GLfloat position[] = { 0.0, 0.0, 1.5, 1.0 };
 
  glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
  glPushMatrix ();
  glTranslatef (0.0, 0.0, -5.0);
 
  glPushMatrix ();
  glRotated ((GLdouble) step, -1.0, 1.0, 1.0);
  glRotated (0.0, 1.0, 0.0, 0.0);
  glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION, position);
 
  glTranslated (0.0, 0.0, 1.5);
  glDisable (GL_LIGHTING);
  glColor3f (1.0, 1.0, 0.0);
  auxWireSphere (0.1);
  glEnable (GL_LIGHTING);
  glPopMatrix ();
 
  auxSolidTorus (0.275, 0.85);
  glPopMatrix ();
  glFlush ();
}
 
void CALLBACK myReshape(GLsizei w, GLsizei h)
{
  glViewport(0, 0, w, h);
  glMatrixMode(GL_PROJECTION);
  glLoadIdentity();
  gluPerspective(40.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 20.0);
  glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
}
 
void main(void)
{
  auxInitDisplayMode (AUX_SINGLE | AUX_RGBA);
  auxInitPosition (0, 0, 500, 500);
  auxInitWindow ("Moving Light");
  myinit();
  auxMouseFunc (AUX_LEFTBUTTON, AUX_MOUSEDOWN, movelight);
  auxReshapeFunc (myReshape);
  auxMainLoop(display);
}

　　以上程序運行結(jié)果是在屏幕中央顯示一個藍色的環(huán)形圈，按下鼠標左鍵則可移動光源，其中一個黃色的小球代表光源。

　

圖14-2 光源移動

14.5、輻射光
　　在前面的章節(jié)中已經(jīng)應(yīng)用了輻射光，可以參見10.4.4材質(zhì)改變的例程（chgmat1.c）的運行效果。這里再一次強調(diào)提出，通過給GL_EMISSION定義一個RGBA值，可以使物體看起來象發(fā)出這種顏色的光一樣，以達到某種特殊效果。實際上，現(xiàn)實生活中的物體除光源外都不發(fā)光，但我們可以利用這一特性來模擬燈和其他光源。代碼舉例如下：
　

GLfloat mat_emission[]={0.3,0.3,0.5,0.0};
glMaterialfv(GL_FRONT,GL_EMISSION,mat_emission);

　　這樣，物體看起來稍微有點發(fā)光。比如繪制一個打開的臺燈，就可以將一個小球的材質(zhì)定義成上述形式，并且在小球內(nèi)部建立一個聚光源，這樣臺燈的燈泡效果就出來了。

posted on 2006-01-17 01:09 zmj 閱讀(4293) 評論(1) 編輯收藏引用

# re: OpenGL特殊光處理 2008-12-29 21:08 sosoyoyo

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