1. 光照模型
环境光——经过多次反射而来的光称为环境光，无法确定其最初的方向，但当特定的光源关闭后，它们将消失.
全局环境光——每个光源都能对场景提供环境光。此外，还有一个环境光，它不来自任何特定的光源，称之为全局环境光。这也就是为什么我们不加任何自定义光源，也能看见绘制的物体的原因。 散射光——来自同一方向，照射到物体表面后，将沿各个方向均匀反射，因此，无论从哪个方向观察，表面的亮度都相同. 主要通过设置GLfloat light_diffuse[] = { 0.0, 1.0, 0.0, 1.0 }来发射绿光 镜面反射光——来自特定方向，也被反射到特定方向.镜面反射度与之相关. 材质发射光——用于模拟发光物体.在OpenGL光照模型中，表面的发射光增加了物体的亮度，它不受光源的影响，另外，发射光不会给整个场景中增加光线.
当光照射到一个物体表面上时，会出现三种情形。首先，光可以通过物体表面向空间反射， 产生反射光。其次，对于透明体，光可以穿透该物体并从另一端射出，产生透射光。最后，部分光将被物体表面吸收而转换成热。在上述三部分光中，仅仅是透射光和反射光能够进入人眼产生视觉效果。这里介绍的简单光照模型只考虑被照明物体表面的反射光影响，假定物体表面光滑不透明且由理想材料构成，环境假设为由白光照明。
一般来说，反射光可以分成三个分量，即环境反射、漫反射和镜面反射。环境反射分量假定入射光均匀地从周围环境入射至景物表面并等量地向各个方向反射出去，通常物体表面还会受到从周围环境来的反射光（如来自地面、天空、墙壁等的反射光）的照射，这些光常统称为环境光(Ambient Light)；漫反射分量表示特定光源在景物表面的反射光中那些向空间各方向均匀反射出去的光，这些光常称为漫射光(Diffuse Light)；镜面反射光为朝一定方向的反射光，如一个点光源照射一个金属球时会在球面上形成一块特别亮的区域，呈现所谓“高光(Highlight)”，它是光源在金属球面上产生的镜面反射光(Specular Light)。对于较光滑物体，其镜面反射光的高光区域小而亮；相反，粗糙表面的镜面反射光呈发散状态，其高光区域大而不亮。
2. OpenGL 光照模效果的原理
OpenGL的光照模型是用来模拟现实生活中的光照的。它根据顶点的法线向量和光源的位置决定顶点的明暗程度，根据顶点的材质和光源中三原色的成分来决定物体将表现出怎样的颜色。
值得一提的是材质。OpenGL中的材质并非我们平常所说的组成物体的元素(如木材、金属材质)，而是指一个物体对不同颜色的光的反射和吸收程度。比如，在光照系统中，如果一个物体表现为红色，则是因为这个物体吸收了从光源放射出来的绿色和蓝色光，而将绝大多数红色的光反射了出来。正因如此，一旦你开启了光照系统，就要通过指定物体的材质来决定这个物体是什么颜色。既然这样，你可能会想到怎样表现类似金属、玻璃等物质质感，但这些除了要使用光照系统并为它们指定合适的材质外，还要使用纹理贴图来表现质感。
使用OpenGL的光照模型包括以下几个步骤：
· 设置光源的种类、位置和方向(对于平行光源)
· 为每个图元的每个顶点指定它的法线向量
· 为各个图元指定它的材质
2.1 局部视点和无穷远视点 视点位置能影响镜面反射中高光的计算。 即顶点的高光强度不仅取决于顶点法向量，而且取决于顶点到光源的方向以及顶点到视点的方向。 对于无穷远视点，视点到任何顶点的方向都是相同的。 而对于局部视点，视点到每个顶点的方向是不同的。 所以需要计算视点到每个顶点的方向，因而性能降低了，但效果质量提高了。 缺省时，使用的是无穷远视点。 glLightModeli( GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER , GL_TRUE ); // 将视点设置为局部视点 glLightModeli( GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER , GL_FALSE ); // 将视点设置为无穷远视点
2.2 双面光照 光照计算是对所有多边形(包括其正面和背面)进行的。 而一般情况下，只设置正面光照条件，而忽略背面。但有时候需要看到物体内侧的光照效果，这就需要用到双面光照。
glLightModeli( LIGHT_MODEL_TWO_SIDE , GL_TRUE ); // 启用双面光照 glLightModeli( LIGHT_MODEL_TWO_SIDE , GL_FALSE ); // 禁用双面光照
2.3 光源衰减
真实的光，离光源越远则光强越小。环境光、漫反射光和镜面光的强度都衰减，辐射光和全局环境光的强度不衰减。 方向光源是无穷远光源，因此距离对光强没有影响，所以方向光没有衰减，但位置光则有衰减。 OpenGL是通过光源光强乘以衰减系数来计算衰减光照的。 衰减系数 = 1 / ( Kc + Kl*d + Kq*d*d ) d = 光源位置到物体顶点的距离 Kc = GL_CONSTANT_ATTENUATION 常数衰减因子 Kl = GL_LINER_ATTENUATION 线性衰减因子 Kq = GL_QUADRATIC_ATTENUATION 二次衰减因子 缺省时，衰减因子为( 1 , 0 , 0 ) 即不进行衰减 glLightf( GL_LIGHT0 , GL_CONSTANT_ATTENUATION , 1.0 ); glLightf( GL_LIGHT0 , GL_LINEAR_ATTENUATION , 0.0 ); glLightf( GL_LIGHT0 , GL_QUADRATIC_ATTENUATION , 0.0 );
3.设置光源
3.1 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，且方向辐射自四面八方。
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。
3.2 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。
3.3 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。
3.3.1 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,@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：
Void SetLight
{ int AmbientLight[4]={1,1,1,1}; glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,@AmbientLight); glEnable(GL_LIGHT0); glEnable(GL_LIGHTING);
}
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。
3.3.2 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,@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)。
3.3.3 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。
3.4 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。
3.5 创建聚光灯
聚光位置光源可以定义成聚光形式，即将光的形状限制在一个圆锥内。用来模拟现实世界中的聚光灯。聚光的具体使用步骤如下：
1 设置聚光源位置 GLfloat light_position[]={ 1.0 , 1.0 , 1.0 , 1.0 }; glLightfv( GL_LIGHT0 , LIGHT_POSITION , light_position );
2 设置聚光最大散布角 聚光最大散布角就是光锥的轴与中心线的夹角，也就是光锥顶角的一半。 聚光最大散布角可以选择在[ 0.0 , 90.0 ]之间的值，以及一个特定值：180.0。缺省时最大散布角为180.0，即顶角为360度，光源照向所有方向。即一个点光源。 glLightf( GL_LIGHT0,GL_SPOT_CUTOFF , 45.0 );
3 设置聚光方向 聚光方向决定光锥的轴，缺省值为( 0.0 , 0.0 , -1.0 ) , 即指向负Z轴。 GLfloat spot_direction[]={ -1.0 , -1.0 , 0.0 }; glLightfv( GL_LIGHT0 , GL_SPOT_DIRECTION , spot_direction );
4 设置聚光指数 聚光指数控制光的集中程度，光锥中心的光强最大，越靠边的光强越小。 缺省时为0，即均匀照射。 glLightf( GL_LIGHT0 , GL_SPOT_EXPONENT , 2.0 );
4. 材质
4.1 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。
4.2 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；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。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__________________________________________________________________
4.3 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。
5. 举例
例1. 光照GL_LIGHT0的使用，绿光
#include #include
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 }; //最后一个参数为0表示该光源是directional的 // GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; //最后一个参数非0表示该光源是positional的
GLfloat light_ambient[] = { 0.0, 1.0, 0.0, 1.0 }; GLfloat light_diffuse[] = { 0.0, 1.0, 0.0, 1.0 }; GLfloat light_specular[] = { 0.0, 1.0, 0.0, 1.0 };
// GLfloat Light_Model_Ambient[] = { 0.0 , 0.0 , 0.0 , 1.0 }; //全局环境光设为黑色 GLfloat Light_Model_Ambient[] = { 0.2 , 0.2 , 0.2 , 1.0 }; //默认的全局环境光 glLightModelfv( GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT , Light_Model_Ambient ); //设置全局环境光的方法
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_AMBIENT, light_ambient); glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, light_diffuse); glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, light_specular); glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);
glEnable(GL_LIGHTING); glEnable(GL_LIGHT0); //把全局环境光设置为黑色,然后注释掉本句可以发现"黑屏" glDepthFunc(GL_LESS); //glDepthFunc()来设置深度测试函数 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(); }
void keyboard(unsigned char key, int x, int y) { switch (key) { case 27: exit(0); 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); glutKeyboardFunc(keyboard); glutMainLoop(); return 0; }
例2. 材质的使用
#include "windows.h" #include #include void myinit(void); void CALLBACK myReshape(GLsizei w, GLsizei h); void CALLBACK display(void); void myinit(void) { GLfloat mat_ambient[]={0.8,0.8,0.8,1.0}; GLfloat mat_diffuse[]={0.8,0.0,0.8,1.0}; GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 0.0, 1.0, 1.0 }; GLfloat mat_shininess[] = { 50.0 }; GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 }; 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_POSITION, light_position); glEnable(GL_LIGHTING); glEnable(GL_LIGHT0); glDepthFunc(GL_LESS); glEnable(GL_DEPTH_TEST); } void CALLBACK display(void) { glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); auxSolidSphere(1.0); glFlush(); } void CALLBACK myReshape(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(); } void main(void) { auxInitDisplayMode (AUX_SINGLE | AUX_RGBA | AUX_DEPTH16); auxInitPosition (0, 0, 500, 500); auxInitWindow ("Lighting_1 "); myinit(); auxReshapeFunc (myReshape); auxMainLoop(display); }
例3. 光源的移动
#include "windows.h" #include #include #include 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); // 或gluLookAt (0.0, 0.0, 5.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0); 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); //光源的本质是几何物体 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); }
例4 光源的移动-glut
#include #include
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); //这里使用了LIGHT0的默认值
glEnable(GL_DEPTH_TEST); }
void display(void) { GLfloat 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); // 效果和glTranslatef (0.0, 0.0, -5.0);一样 glPushMatrix (); // 光源与WireCube模型
glRotated ((GLdouble) spin, 1.0, 0.0, 0.0); //同时旋转光源以及WireCube glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION, position); //光源是几何物体，通过ModelView变换可以移动旋转它
glTranslated (0.0, 0.0, 1.5); glDisable (GL_LIGHTING); glColor3f (0.0, 1.0, 1.0); glutWireCube (0.1); // WireCube模拟代表光源的位置
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; } }
void keyboard(unsigned char key, int x, int y) { switch (key) { case 27: exit(0); 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); glutKeyboardFunc(keyboard); glutMainLoop(); return 0; }
