OpenGL中的光照技术（翻译）

Lighting：https://www.evl.uic.edu/julian/cs488/2005-11-03/index.html

光照

OpenGL中的光照（Linghting）是很重要的，为什么重要？请看下图

上图中左图是有光照的效果，右图是没有光照的效果。

有光照的好处：

• 给人更多关于曲率和深度的视觉感受
• 给人更明显的3D效果

隐藏面清除

在照明和着色中，深度信息和法向量变得非常重要。

旧的painter算法是这样的：

while (1) {

get_viewing_point_from_mouse_position();

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

draw_3d_object_A();

draw_3d_object_B();

}

这样的话，一个对象可能会遮挡另一个对象

隐藏面清除通过使用Z-buffer（深度缓存）来实现

请看如下的代码示例：

glutInitDisplayMode ( GLUT_DEPTH | ... );

glEnable ( GL_DEPTH_TEST );

...

while(1) {

glClear( GLCOLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT );

get_viewing_point_from_mouse_position();

draw_3d_object_A();

draw_3d_object_B();

}

 

光照组成

• 环境光（Ambient）

    光从各个方向均匀地到达。事实上，光散射太大，我们无法确定它的方向

• 散射光（Diffuse）

    来自点光源的光线将被漫射反射（即在远离表面的所有方向上均匀地重新选择）

• 镜面光（Specular）

    从点光源发出的光线将被镜面反射（即以镜面形式反射，如从光亮的表面反射）。

    

•     放射光（Emissive）

    在没有入射光的情况下，表面的发射率控制着表面发出的光的数量。从一个表面发出的光不能作为照亮其他表面的光源；相反，它只影响观察者看到的颜色。

多个灯光组件结果

    

光照和材料的RGB

    RGB values for light and material have different meanings

    For light: light colors(intensities)

    (R, G, B) = (1, 1, 0) -> yellow light

    For material: reflected proportions

 (R, G, B) = (1, 0.5, 0) -> the material reflects all the incoming red light, half the incoming green light, and nonn of the incoming blue light.

    ( LR*MR, LG*MG, LB*MB )

    Multiple light source: Light1 + Light2

    ( R1+R2, G1+G2, B1+B2 )

    If the result is greater than 1.0, clamp to 1.0

光照例子    

为所有对象的每个顶点定义法向量。这些法线确定对象相对于光源的方向。（在我们的示例中，法线定义为glutsolidSphere（）的一部分）

• Needs unit normal vector
• void glEnable(GL_NORMALIZE)
• void glEnable(GL_RESCALE_NORMAL)

Create, select, and position one or more light sources.

可以创建最多8中不同的光源(GL_LIGHT0 to GL_LIGHT7)，但是光源多了会导致更多的计算复杂性。

创建并选择照明模型（Light Mode），该模型定义全局环境光的级别和视点的有效位置（用于照明计算）。

为场景中的对象定义材质属性。

#include <gl/glut.h>

#pragma comment(linker, "/subsystem:windows /ENTRY:mainCRTStartup")

 

/* Initialize material property, light source, lighting model,

* and depth buffer.

*/

void init(void)

{

GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat mat_shininess[] = { 50.0 };

GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };

GLfloat light[] = { 1.0, 0.2, 0.2 };

GLfloat lmodel_ambient[] = { 0.1, 0.1, 0.1, 1.0 };

glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0);

glShadeModel (GL_SMOOTH);

 

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess);

 

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, light );

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, light );

glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, lmodel_ambient);

 

glEnable(GL_LIGHTING);

glEnable(GL_LIGHT0);

glEnable(GL_DEPTH_TEST);

}

 

void display(void)

{

glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

glutSolidSphere (1.0, 20, 16);

glFlush ();

}

 

void reshape (int w, int h)

{

glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) 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();

}

 

int main(int argc, char** argv)

{

glutInit(&argc, argv);

glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);

glutInitWindowSize (500, 500);

glutInitWindowPosition (100, 100);

glutCreateWindow (argv[0]);

init ();

glutDisplayFunc(display);

glutReshapeFunc(reshape);

glutMainLoop();

return 0;

}

光照API

void glLight{if}(GLenum light, GLenum pname, TYPE param);

void glLight{if}v(GLenum light, GLenum pname, TYPE *param);

Creates the light specified by light, which can be GL_LIGHT0, GL_LIGHT1, ... , or GL_LIGHT7. The characteristic of the light being set is defined by pname, which specifies a named parameter (see Table below). param indicates the values to which the pname characteristic is set; it's a pointer to a group of values if the vector version is used, or the value itself if the nonvector version is used. The nonvector version can be used to set only single-valued light characteristics.

衰减（定义光衰减的强度）

对于现实世界中的灯光，灯光强度随着与灯光的距离的增加而降低。由于定向光无限远，因此在距离上衰减其强度是没有意义的，因此对定向光禁用衰减。但是，您可能希望减弱来自位置光的光。OpenGL通过将光源的贡献乘以衰减因子来衰减光源：

d = distance between the light's position and the vertex

kc = GL_CONSTANT_ATTENUATION

kl = GL_LINEAR_ATTENUATION

kq = GL_QUADRATIC_ATTENUATION

By default, kc = 1.0, kl = kq = 0.0.

可以为这些参数指定不同的值：

    glLightf(GL_LIGHT0, GL_CONSTANT_ATTENUATION, 2.0);

    glLightf(GL_LIGHT0, GL_LINEAR_ATTENUATION, 1.0);

    glLightf(GL_LIGHT0, GL_QUADRATIC_ATTENUATION, 0.5);

聚光灯（默认gl_spot_cutoff=180）

glLightf(GL_LIGHT0, GL_SPOT_CUTOFF, 45.0); 

GLfloat spot_direction[] = { -1.0, -1.0, 0.0 }; 

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spot_direction);

        

可以设置多个光源

GLfloat light1_ambient[] = { 0.2, 0.2, 0.2, 1.0 };

GLfloat light1_diffuse[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat light1_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat light1_position[] = { -2.0, 2.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat spot_direction[] = { -1.0, -1.0, 0.0 };

 

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_CONSTANT_ATTENUATION, 1.5);

glLightf(GL_LIGHT1, GL_LINEAR_ATTENUATION, 0.5);

glLightf(GL_LIGHT1, GL_QUADRATIC_ATTENUATION, 0.2);

 

glLightf(GL_LIGHT1, GL_SPOT_CUTOFF, 45.0);

glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPOT_DIRECTION, spot_direction);

glLightf(GL_LIGHT1, GL_SPOT_EXPONENT, 2.0);

 

glEnable(GL_LIGHT1);

光源位置（Position）

• 定向光——光源无限远（W=0）

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

位置的第四个分量是0.0，表示光是定向光。

默认情况下，GL_POSITION是（0，0，1，0），它定义了方向光。（x，y，z）是它的方向。

• 位置光——有限距离光源（W不是0）

 GLfloat light_position[] = { 5.0, 10.0, 2.0, 1.0 }; 
 glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);

 位置由模型视图矩阵转换并存储在眼睛坐标系中（即相对于眼睛）。

 请注意，默认情况下（即不调用gluLookat（）），相机（眼睛）位于原点，指向负Z轴。

 默认情况下，位置光源向所有方向辐射。

 

移动光源

• 固定光源

glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h);

glMatrixMode (GL_PROJECTION);

glLoadIdentity();

if (w <= h)

　　glOrtho (-1.5, 1.5, -1.5*h/w, 1.5*h/w, -10.0, 10.0);

else

　　glOrtho (-1.5*w/h, 1.5*w/h, -1.5, 1.5, -10.0, 10.0);

glMatrixMode (GL_MODELVIEW);

glLoadIdentity();

/* later in init() */

GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, position);

 

• 光源的独立移动

旋转或平移灯光位置：灯光相对于静止物体移动。

static GLdouble spin;

void display(void)

{

GLfloat light_position[] = { 0.0, 0.0, 1.5, 1.0 };

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

 

glPushMatrix();

gluLookAt (0.0, 0.0, 5.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);

glPushMatrix();

glRotated(spin, 1.0, 0.0, 0.0);

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);

glPopMatrix();

glutSolidTorus (0.275, 0.85, 8, 15);

glPopMatrix();

glFlush();

}

 

        

 

通过模型变换（Model）来移动光源例子：

#include <GL/glut.h> 

#pragma comment(linker, "/subsystem:windows /ENTRY:mainCRTStartup")

static int spin = 0;

void init(void)

{

　　glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0);

　　glShadeModel (GL_SMOOTH);

　　glEnable(GL_LIGHTING);

　　glEnable(GL_LIGHT0);

　　glEnable(GL_DEPTH_TEST);

}

 

/* Here is where the light position is reset after the modeling

* transformation (glRotated) is called. This places the

* light at a new position in world coordinates. The cube

* represents the position of the light.

*/

void 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) spin, 1.0, 0.0, 0.0);

glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION, position);

 

glTranslated (0.0, 0.0, 1.5);

glDisable (GL_LIGHTING);

glColor3f (0.0, 1.0, 1.0);

glutWireCube (0.1);                    // 模拟光源

glEnable (GL_LIGHTING);

glPopMatrix ();

 

glutSolidTorus (0.275, 0.85, 8, 15);

glPopMatrix ();

glFlush ();

}

 

void reshape (int w, int h)

{

glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h);

glMatrixMode (GL_PROJECTION);

glLoadIdentity();

gluPerspective(40.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 20.0);

glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

glLoadIdentity();

}

 

void mouse(int button, int state, int x, int y)

{

switch (button) {

case GLUT_LEFT_BUTTON:

if (state == GLUT_DOWN) {

spin = (spin + 30) % 360;

glutPostRedisplay();

}

break;

default:

break;

}

}

int main(int argc, char** argv)

{

glutInit(&argc, argv);

glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);

glutInitWindowSize (500, 500);

glutInitWindowPosition (100, 100);

glutCreateWindow (argv[0]);

init ();

glutDisplayFunc(display);

glutReshapeFunc(reshape);

glutMouseFunc(mouse);

glutMainLoop();

return 0;

}

  　　光源随视点移动

　　要创建随视点移动的灯光，需要在查看转换之前设置灯光位置。

　　然后观察变换以同样的方式影响光和视点。

　　记住灯光位置存储在眼睛坐标中。

  

光源随视点移动

GLfloat light_position[] = { 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 };

glViewport(0, 0, (GLint) w, (GLint) h);

glMatrixMode(GL_PROJECTION);

glLoadIdentity();

gluPerspective(40.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 100.0);

glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

glLoadIdentity();

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);

如果现在移动视点，灯光将随之移动，相对于眼睛保持（0,0,0）距离。

//viewpoint参数，可改变

static GLdouble ex, ey, ez, upx, upy, upz;

void display(void)

{

　　glClear(GL_COLOR_BUFFER_MASK | GL_DEPTH_BUFFER_MASK);

　　glPushMatrix();

　　gluLookAt (ex, ey, ez, 0.0, 0.0, 0.0, upx, upy, upz);

　　glutSolidTorus (0.275, 0.85, 8, 15);

　　glPopMatrix();

　　glFlush();

}