OpenGL超级宝典学习笔记——镜面光与法线平均
光照效果
仅仅使用环境光和漫反射光的光照效果,喷气式飞机表面的颜色看起来比较平淡。在渲染木材,泥土,布料,纸箱上等这些表面粗糙的物体上,使用环境光和漫反射光的光照效果就基本足够了。但是在为光滑的金属物体建模时,为了使其显得更加逼真,仅仅使用环境光和漫反射光是不够的,还需要镜面光的效果。
镜面亮点
镜面光照和材料属性可以为物体表面添加光泽和亮斑的效果。当入射光与观察者的角度较小时,可以看到镜面加亮的效果。镜面亮点就是几乎所有的光照射在物体表面上并被反射开来。添加镜面光的成分:
GLfloat ambientLight = {0.3f, 0.3f, 0.3f, 1.0f};Glfloat diffuseLight = {0.7f, 0.7f, 0.7f, 1.0f};//specular light
GLfloat specular[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};....
//Enable Lighting
glEnable(GL_LIGHTING);
//set up and enable light0glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambientLight);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, diffuseLight);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular);
glEnable(GL_LIGHT0);
specular[]为镜面光成分指定了一个非常亮的白光。模拟太阳当空照的效果
。下面的语句就是指定镜面光的成分。
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular);
仅仅添加镜面光的效果,我们不会再喷气式飞机上看到什么变换。我们还需要为其指定材料的镜面光反射属性。
镜面发射
给材料添加镜面反射属性的代码段如下:
GLfloat specref[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};....//Enable color tracking
glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);
//set material properties to follow
glColorglColorMaterial(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE);
//使后面的材料具有完全的镜面反射效果以及强光泽
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, specref);
glMateriali(GL_FRONT, GL_SHININESS, 128);
镜面指数
在上面的例子中在强烈的镜面光照射和材料镜面反射(完全发射)的效果下导致飞机显示为纯白,只有远离光源的表面除外(未受到光照,显示黑色)。
glMateriali(GL_FRONT, GL_SHININESS, 128);
GL_SHININESS属性设置材料的镜面指数,指定了镜面加亮的大小和集中性。如果指定为0,即没有聚焦,即整个多边形均匀加亮。通过设置这个值可以缩小镜面加亮的范围,增加镜面加亮的集中度,制造亮点的效果。这个值越小,表示材质越粗糙,点光源发射的光线照射到上面,产生较大的亮点。这个值越大,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。这个参数值的范围为1-128。
设置为128的效果如下:

设置为0时效果如下:(被照射到的多边形整个都加亮了,没被照射到的显示黑色)

void SetupRC()
{// Light values and coordinates
GLfloat ambientLight[] = { 0.3f, 0.3f, 0.3f, 1.0f };GLfloat diffuseLight[] = { 0.7f, 0.7f, 0.7f, 1.0f };GLfloat specular[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};glEnable(GL_DEPTH_TEST);
// Hidden surface removal
glFrontFace(GL_CCW);
// Counter clock-wise polygons face out
glEnable(GL_CULL_FACE);
// Enable lighting
glEnable(GL_LIGHTING);
// Setup and enable light 0
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,ambientLight);
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,diffuseLight);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular);
glEnable(GL_LIGHT0);
GLfloat specref[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};// Enable color tracking
glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);
// Set Material properties to follow glColor values
glColorMaterial(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, specref);
glMateriali(GL_FRONT, GL_SHININESS, 128);
// Light blue background
glClearColor(0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f );
glEnable(GL_NORMALIZE);
}
法线平均

由四边形和三角形组成的球体,如果为其的每一个表面都单独指定了法线,那这个球体看起来就是充满棱角。如果我们为每个顶点指定“真实的”法线,那么OpenGL光照计算的所产生的值将会平滑地分布在多边形表面上。这些平面的多边形经过着色之后就像平滑的表面一样。
在理论上,如果我们使用足够多的多边形来绘制球体,那球体表面就会显得平滑,这些多边形就近似于真实的表面。就像使用足够多的小短线来模拟平滑的曲线一样。如果把每个顶点都当成真实的表面上的顶点的话,那么这个表面的实际法线值就代表着真实表面的法线。在球体中,法线从球体的中心指向各个顶点。
下图图5.30中的,每一个平面片段都有法线垂直指向它的表面。就像在喷气式飞机中的例子一样。在图5.31中法线并不正交于多边形的平面,而是正交于真实球体的表面,或者球体表面的切线。

在球体中,计算真实法线较为简单,球体中心和多边形顶点的连线即是。但在一些复杂的物体中,就没那么简单了。需要取得共享一个顶点的多边形的法线,对其进行平均,来获得更加真实的效果。
综合例子
设置光源位置
//光源位置 GLfloat lightPos[] = {0.0f, 0.0f, 70.0f, 1.0f};
..
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPos);lightPos数组的前三个值x,y,z指定了光源的位置或者方向。如果最后一个值为1.0,说明光源的真实位置就位于lightPos上,是位置性光源,光线从光源发散开来。如果最后一个值为0.0则代表光在无限远处,光源是方向性光源,所有光线是平行的。
创建聚光灯
GLfloat ambientLight[] = {0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f};GLfloat specular[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};GLfloat specref[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};//光源位置
GLfloat lightPos[] = {0.0f, 0.0f, 70.0f, 1.0f};//聚光灯光照方向朝z轴负方向
GLfloat spotDir[] = {0.0f, 0.0f, -1.0f};void SetupRC()
{glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
//开启深度测试
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
//剔除掉不必要的背面
glFrontFace(GL_CCW);
glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_BACK);
//开启光照
glEnable(GL_LIGHTING);
//设置light0光照参数
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE, ambientLight);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular);
//设置光源位置和方向
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPos);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spotDir);
glLightf(GL_LIGHT0, GL_SPOT_CUTOFF, 80.0f);
//设置全局环境光
glLightModelfv(GL_AMBIENT, ambientLight);
//开启light0
glEnable(GL_LIGHT0);
//开启和设置颜色追踪
glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);
//设置多边形正面的材料的环境光和漫反射光属性为颜色追踪
glColorMaterial(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE);
//设置镜面光的反射属性
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, specref);
glMateriali(GL_FRONT, GL_SHININESS, 128);
}
glLightf(GL_LIGHT0, GL_SPOT_CUTOFF, 80.0f);设置聚光灯的半夹角,使得聚光灯发射出一个光锥。在此光锥之外的物体不会被照射到。

在这个例子中,我们使用一个黄色的小灯泡的方式来模拟光源的位置,通过方向键可以调整其位置。并通过右键菜单来调整,物体的着色模式,和球体的近似程度(由多少多边形组成球体)。

GL_FLAT着色模式

GL_SMOOTH着色模式

完整代码示例:
#include "gltools.h"
GLfloat ambientLight[] = {0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f};
GLfloat specular[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};
GLfloat specref[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};
//光源位置
GLfloat lightPos[] = {0.0f, 0.0f, 70.0f, 1.0f};
//聚光灯光照方向朝z轴负方向
GLfloat spotDir[] = {0.0f, 0.0f, -1.0f};
//用于旋转
static GLfloat xRot = 0.0f;
static GLfloat yRot = 0.0f;
#define FLAT_MODE 1
#define SMOOTH_MODE 2
#define LOW_LEVEL 3
#define MEDIUM_LEVEL 4
#define HIGH_LEVEL 5
int iShade = FLAT_MODE;
int iLevel = LOW_LEVEL;
void SetupRC()
{
glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
//开启深度测试
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
//剔除掉不必要的背面
glFrontFace(GL_CCW);
glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_BACK);
//开启光照
glEnable(GL_LIGHTING);
//设置light0光照参数
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE, ambientLight);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular);
//设置光源位置和方向
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPos);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spotDir);
glLightf(GL_LIGHT0, GL_SPOT_CUTOFF, 80.0f);
//设置全局环境光
glLightModelfv(GL_AMBIENT, ambientLight);
//开启light0
glEnable(GL_LIGHT0);
//开启和设置颜色追踪
glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);
//设置多边形正面的材料的环境光和漫反射光属性为颜色追踪
glColorMaterial(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE);
//设置镜面光的反射属性
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, specref);
glMateriali(GL_FRONT, GL_SHININESS, 128);
glEnable(GL_NORMALIZE);
}
void RenderScene()
{ if (iShade == FLAT_MODE)
{
glShadeModel(GL_FLAT);
} else {
glShadeModel(GL_SMOOTH);
}
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
//矩阵压栈
glPushMatrix();
glRotatef(xRot, 1.0f, 0.0f, 0.0f);
glRotatef(yRot, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
//旋转后重新设置光源位置
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPos);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spotDir);
glTranslatef(lightPos[0], lightPos[1], lightPos[2]);
glColor3ub(255, 0, 0);
glutSolidCone(4.0, 6.0, 15, 15);
glPushAttrib(GL_LIGHTING_BIT);
//关闭光照画小黄球
glDisable(GL_LIGHTING);
glColor3ub(255, 255, 0);
glutSolidSphere(3.0, 15, 15);
glPopAttrib();
//矩阵出栈
glPopMatrix();
glColor3ub(0, 0, 255);
if (iLevel == LOW_LEVEL)
{
glutSolidSphere(30.0f, 8, 8);
} else if (iLevel == MEDIUM_LEVEL)
{
glutSolidSphere(30.0f, 10, 10);
} else {
glutSolidSphere(30.0f, 15, 15);
}
glutSwapBuffers();
}
void ChangeSize(int w, int h)
{
if (h == 0)
{
h = 1;
}
//设置视口
glViewport(0, 0, w, h);
GLfloat faspect = (GLfloat)w/(GLfloat)h;
//透视投影变换
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
gluPerspective(35.0, faspect, 1.0, 350.0);
//模型视图矩阵
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
//先往显示器里平移
glTranslatef(0.0f, 0.0f, -250.0f);
glutPostRedisplay();
}
void SpecialKeys(int keys, int x, int y)
{
//改变旋转角度
if (keys == GLUT_KEY_UP)
{
xRot -= 5.0f;
} if (keys == GLUT_KEY_DOWN)
{
xRot += 5.0f;
} if (keys == GLUT_KEY_LEFT)
{
yRot += 5.0f;
} if (keys == GLUT_KEY_RIGHT)
{
yRot -= 5.0f;
} if (xRot > 356.0f)
{
xRot = 0.0f;
} else if (xRot < -1.0f)
{
xRot = 355.0f;
} if (yRot > 356.0f)
{
yRot = 0.0f;
} else if (yRot < -1.0f)
{
yRot = 355.0f;
}
glutPostRedisplay();
}
void ProcessMenu(int key)
{
switch(key)
{ case 1:
iShade = FLAT_MODE; break; case 2:
iShade = SMOOTH_MODE; break; case 3:
iLevel = LOW_LEVEL; break; case 4:
iLevel = MEDIUM_LEVEL; break; case 5:
iLevel = HIGH_LEVEL; break; default: break;
}
glutPostRedisplay();
}
int main(int args, char *arv[])
{
glutInit(&args, arv);
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);
glutInitWindowSize(800, 600);
glutCreateWindow("spot light");
glutDisplayFunc(RenderScene);
glutReshapeFunc(ChangeSize);
glutSpecialFunc(SpecialKeys);
//创建菜单
int menuID = glutCreateMenu(ProcessMenu);
glutAddMenuEntry("Flag Mode", 1);
glutAddMenuEntry("SMOOTH Mode", 2);
glutAddMenuEntry("Low Level", 3);
glutAddMenuEntry("Midum Level", 4);
glutAddMenuEntry("High Level", 5);
glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON);
SetupRC();
glutMainLoop();
return 0;
}