OpenGL光照设置

一、设置光源

（1）光源的种类

环境光

环境光是一种无处不在的光。环境光源放出的光线被认为来自任何方向。因此，当你仅为场景指定环境光时，所有的物体无论法向量如何，都将表现为同样的明暗程度。

点光源

由这种光源放出的光线来自同一点，且方向辐射向四面八方。

平行光

平行光又称镜面光，这种光线是互相平行的。从手电筒、太阳等物体射出的光线都属于平行光。

聚光灯

这种光源的光线从一个锥体中射出，在被照射的物体上产生聚光的效果。使用这种光源需要指定光的射出方向以及锥体的顶角α。

（2）光的成分

对于每一种光源，都有漫射光和平行光两种成分。

在OpenGL中，环境光也被作为一种特殊的光源的成分来看待。

漫射光是指在光源中能够被漫反射的光的颜色成分(白色则包含所有颜色)，

而平行光是指光源中所有能够被镜面反射的光的颜色成分。

通过指定这两种成分的颜色，就能决定光源是平行光源还是点光源。

（3）设置光源成分

OpenGL可以同时为我们提供8个有效的光源。也就是说，我们最多可以同时启用8个光源。它们分别是GL_LIGHT0，GL_LIGHT1，GL_LIGHT2 ……其中，GL_LIGHT0是最特殊的一个光源。我们可以为GL_LIGHT0指定环境光成分。

a) 设置环境光

对于GL_LIGHT0，我们可以为其指定环境光成分。 调用

glLightfv(GL_LIGHT0,  GL_AMBIENT /*模糊，环境光*/,  ambientLight);

来设置场景的环境光。在上述函数调用中，第一个参数表示我们要对GL_LIGHT0进行设置，第二个参数表示我们要设置的是环境光成分，第三个参数则是一个数组，它有4个值，分别表示光源中含有红、绿、蓝三种光线的成分。一般情况下都为1，最后一项为透明度值，一般也为1。

完整的代码是这样的：

int AmbientLight[4]={1,1,1,1};
glLightfv(GL_LIGHT0,  GL_AMBIENT,  AmbientLight);
glEnable(GL_LIGHT0);      //允许0#灯使用

glEnable(GL_LIGHTING);   //开灯

请注意在上述代码的第三行和第四行我们分别调用了glEnable函数开启GL_LIGHT0光源和光照系统。

b)设置漫射光成分

通过对漫射光成分的设置，我们可以产生一个点光源。方法和设置环境光成分相似，只需调用

glLightfv(GL_LIGHT0,  GL_DIFFUSE/*漫反射*/,  DiffuseLight);

即可。其中DiffuseLight是漫射光的颜色成分。一般情况下也为(1,1,1,1)。

c)设置镜面光成分

通过对镜面光成分的设置，我们可以产生一个平行光源。方法和设置漫射光成分相似，只需调用

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR,  SpecularLight);

即可。其中SpecularLight是漫射光的颜色成分。可以根据不同需要指定不同的颜色。

（4）设置光源的位置

对于点光源和平行光源，我们常常需要指定光源的位置来产生需要的效果。方法仍然是调用glLightfv函数，仅仅是换换参数而已：

glLightfv(GL_LIGHT0,  GL_POSITION,  LightPosition);

其中,LightPosition也是一个四维数组，四维数组的前3项依次为光源位置的X,Y,Z分量，第四个值很特殊，一般为1或-1。当LightPosition[4]=-1的时候，表示光源位于距离场景无限远的地方，无论前面设置的X,Y,Z是什么值。当LightPosition[4]=1时，光源的位置就是前三项所指定的位置。

 

二、光照模型

OpenGL的光照模型是用来模拟现实生活中的光照的。

3.材质设定

（1）材质颜色

OpenGL用材料对光的红、绿、蓝三原色的反射率来近似定义材料的颜色。象光源一样，材料颜色也分成环境、漫反射和镜面反射成分，它们决定了材料对环境光、漫反射光和镜面反射光的反射程度。在进行光照计算时，材料对环境光的反射率与每个进入光源的环境光结合，对漫反射光的反射率与每个进入光源的漫反射光结合，对镜面光的反射率与每个进入光源的镜面反射光结合。对环境光与漫反射光的反射程度决定了材料的颜色，并且它们很相似。对镜面反射光的反射率通常是白色或灰色（即对镜面反射光中红、绿、蓝的反射率相同）。镜面反射高光最亮的地方将变成具有光源镜面光强度的颜色。例如一个光亮的红色塑料球，球的大部分表现为红色，光亮的高光将是白色的。

（2）材质定义

材质的定义与光源的定义类似。其函数为：

void glMaterial{if}[v](GLenum face, GLenum pname, TYPE param);

定义光照计算中用到的当前材质。face可以是GL_FRONT、GL_BACK、GL_FRONT_AND_BACK，它表明当前材质应该应用到物体的哪一个面上；pname说明一个特定的材质；

pname参数值具体内容见下表。另外，参数GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE表示可以用相同的RGB值设置环境光颜色和漫反射光颜色。

___________________________________________________________________

参数名 缺省值 说 明

GL_AMBIENT (0.2,0.2,0.2,1.0)         材料的环境光颜色

GL_DIFFUSE (0.8,0.8,0.8,1.0)          材料的漫反射光颜色

GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE        材料的环境光和漫反射光颜色

GL_SPECULAR (0.0,0.0,0.0,1.0)       材料的镜面反射光颜色

GL_SHINESS 0.0                                    镜面指数（光亮度）

GL_EMISSION (0.0,0.0,0.0,1.0)               材料的辐射光颜色

GL_COLOR_INDEXES (0,1,1)          材料的环境光、漫反射光和镜面光颜色

param是材质的具体数值，若函数为向量形式，则param是一组值的指针，反之为参数值本身。非向量形式仅用于设置GL_SHINESS。

_______________________________________________

（3）材质RGB值和光源RGB值的关系

材质的颜色与光源的颜色有些不同。对于光源，R、G、B值等于R、G、B对其最大强度的百分比。若光源颜色的R、G、B值都是1.0，则是最强的白光；若值变为0.5，颜色仍为白色，但强度为原来的一半，于是表现为灰色；若R＝G＝1.0，B＝0.0，则光源为黄色。对于材质，R、G、B值为材质对光的R、G、B成分的反射率。比如，一种材质的R＝1.0，G＝0.5，B＝0.0，则材质反射全部的红色成分，一半的绿色成分，不反射蓝色成分。也就是说，若OpenGL的光源颜色为(LR,LG,LB)，材质颜色为(MR,MG,MB)，那么，在忽略所有其他反射效果的情况下，最终到达眼睛的光的颜色为(LR*MR,LG*MG,LB*MB)。同样，如果有两束光，相应的值分别为(R1,G1,B1)和(R2,G2,B2)，则OpenGL将各个颜色成分相加，得到(R1+R2,G1+G2,B1+B2)，若任一成分的和值大于1（超出了设备所能显示的亮度）则约简到1.0。

 

三、示例代码（3D光照茶壶）

 Github代码仓库地址

//绘制茶壶
#include "stdafx.h"
#include <GL/glut.h>
#include <stdlib.h>

//自定义初始化opengl函数
void init(void)
{
    //材质反光性设置
    GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };  //镜面反射参数
    GLfloat mat_shininess[] = { 50.0 };               //高光指数
    GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };
    GLfloat white_light[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };   //灯位置(1,1,1), 最后1-开关
    GLfloat Light_Model_Ambient[] = { 0.2, 0.2, 0.2, 1.0 }; //环境光参数

    glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);  //背景色
    glShadeModel(GL_SMOOTH);           //多变性填充模式

    //材质属性
    glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);
    glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess);

    //灯光设置
    glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);
    glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, white_light);   //散射光属性
    glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, white_light);  //镜面反射光
    glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, Light_Model_Ambient);  //环境光参数

    glEnable(GL_LIGHTING);   //开关:使用光
    glEnable(GL_LIGHT0);     //打开0#灯
    glEnable(GL_DEPTH_TEST); //打开深度测试
}

void display(void)
{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    glutSolidTeapot(0.5);

    /*
    glBegin(GL_QUADS);
    glVertex3f(0, 0, 10);
    glVertex3f(0, 0, 10);
    glVertex3f(20, 5, 10);
    glVertex3f(30, 40, -10);
    glEnd();
    */

    glFlush();   //glSwapBuffers();
}

void reshape(int w, int h)
{
    glViewport(0, 0, (GLsizei)w, (GLsizei)h);

    //设置投影参数
    glMatrixMode(GL_PROJECTION);
    glLoadIdentity();
    //正交投影
    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);

    //设置模型参数--几何体参数
    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("茶壶");

    init();

    glutDisplayFunc(display);
    glutReshapeFunc(reshape);

    glutMainLoop();
    return 0;
}

 

 

修改镜面反射参数、环境光参数、灯的位置和背景色后：

 

四、示例代码（太阳系）

Github代码地址

//绘制太阳系
#include "stdafx.h"
#include <GL/glut.h>
#include <stdlib.h>

static int year = 0, day = 0, moon = 0;

void init(void)
{
    glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
    glShadeModel(GL_SMOOTH);
}

void display(void)
{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);
    glPushMatrix();
    glColor3f(1.0, 0.0, 0.0);
    glutSolidSphere(1.0, 20, 16); /* draw sun */

    glRotatef((GLfloat)year, 0.0, 1.0, 0.0);
    glTranslatef(2.0, 0.0, 0.0);
    glRotatef((GLfloat)day, 0.0, 1.0, 0.0);
    glColor3f(0.0, 0.0, 1.0);
    glutSolidSphere(0.3, 10, 8); /* draw earth */

    glTranslatef(1.0, 0.0, 0.0);
    glRotatef((GLfloat)moon, 0.0, 1.0, 0.0);
    glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);
    glutSolidSphere(0.2, 10, 8); /* draw moon */
    glPopMatrix();
    glutSwapBuffers();
}

void reshape(int w, int h)
{
    glViewport(0, 0, (GLsizei)w, (GLsizei)h);
    glMatrixMode(GL_PROJECTION);
    glLoadIdentity();
    gluPerspective(60.0, (GLfloat)w / (GLfloat)h, 1.0, 20.0);
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    glLoadIdentity();
    gluLookAt(0.0, 5.0, 5.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);
}

void keyboard(unsigned char key, int x, int y)
{
    switch (key) {
    case 'd':
        day = (day + 10) % 360;
        moon = (moon + 5) % 360;
        glutPostRedisplay();
        break;
    case 'D':
        day = (day - 10) % 360;
        glutPostRedisplay();
        break;
    case 'y':
        year = (year + 5) % 360;
        day = (day + 10) % 360;
        moon = (moon + 5) % 360;
        glutPostRedisplay();
        break;
    case 'Y':
        year = (year - 5) % 360;
        glutPostRedisplay();
        break;
    case 'm':
        moon = (moon + 5) % 360;
        glutPostRedisplay();
        break;
    case 27:
        exit(0);
        break;
    default:
        break;
    }
}

int main(int argc, char** argv)
{
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB);
    glutInitWindowSize(800, 600);
    glutInitWindowPosition(100, 100);
    glutCreateWindow(argv[0]);
    init();
    glutDisplayFunc(display);
    glutReshapeFunc(reshape);
    glutKeyboardFunc(keyboard);
    glutMainLoop();
    return 0;
}

 

开始时效果：

 

动画效果：

 

加入光照条件:

    //材质反光性设置
    GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };  //镜面反射参数
    GLfloat mat_shininess[] = { 50.0 };               //高光指数
    GLfloat light_position[] = { 3.0, 3.0, 3.0, 0.0 };
    GLfloat white_light[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };   //灯位置(1,1,1), 最后1-开关
    GLfloat Light_Model_Ambient[] = { 0.8 , 0.2 , 0.2 , 1.0 }; //环境光参数

 

 

    //材质属性
    glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);
    glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess);

 

 

    //灯光设置
    glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);
    glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, white_light);   //散射光属性
    glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, white_light);  //镜面反射光
    glLightModelfv( GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT , Light_Model_Ambient );  //环境光参数

    glEnable(GL_LIGHTING);   //开关:使用光
    glEnable(GL_LIGHT0);     //打开0#灯
    glEnable(GL_DEPTH_TEST); //打开深度测试

 

 

注意：记得要在glClear后加一个深度测试

    glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

 

 

加入光照后的效果如下

刚开始：

 

动画效果：

 

小结

　　此次学习了OpenGL的光照设置后，让我对二维到三维产生了新的认识，同时也愈发感到有趣。记得前段时间我和女友聊起光照，她说她当时画立体画的时候也要故意把一个点画的特别亮，另外一些地方要进行暗处理，这样才能显示出立体的效果。聊天期间还给我介绍了一些专业术语...看来图形学和绘画，总是存在着一些异曲同工之妙的！相信后面的剧情发展会越来越精彩的。