拓幻图形学工程师教学手册(第三讲)｜一字一字敲出OpenGL学习教程

　　

　　上一讲已经介绍了的OpenGL纹理部分的内容，今天这讲关于OpenGL光照(Lighting)示例代码也都在公司github共有仓了，不知道各位是不是试着跑过，没跑过也不要紧，继续往下听吧，最后总要实践的，讲再多不如自己上手一试。我记得Dr. Lee当初还做了蛮多不错的示例代码，比如旋转的五彩菊花，回头我让他贡献一下他的五彩菊花，放到我们的Github上给大家参考。后期Dr. Lee也将推出一些他自己的教程，这可是来自美国克莱姆森大学的教程，大家不要错过，关注我们微信公众号，一起来学习吧。

　　跑过“太阳系”工程的同学一定发现，除了上一讲的纹理映射实现将太阳及其行星表面纹理进行实现外，还有一个重点就是光。太阳系中唯一的光源就是太阳，其他行星只是进行光反射等，并且太阳光光源是向四面八方照射的，这个系统我们可以用OpenGL光照来进行模拟。

　　先来看两张不同的图，一张有光照一张没有，看看区别就知道光照在渲染方面其实还是很重要的。

　　接下来就是具体的光照内容了。

　　5.2 表面向量(Surface Normal)

　　先引入一个概念叫表面法线(Surface Normal)，也就是表面上某一点的法向量（Normal Vector），是在该点处与表面垂直的方向。对于平面，其上各点的法向是一样的，统一为这个平面的法向。

　　以上是计算表面法线向量的方法，不多说。

　　这是对于平面而言，那么更多时候绘制的不是平面而是曲面，该怎么计算表面法线。

　　顶点法线（Vertex Normal）是过顶点的一个矢量，在生成曲面时，通常令顶点法线和相邻平面的法线保持等角，这样进行渲染时，会在平面接缝处产生一种平滑过渡的效果。

　　这样就产生两种计算表面法线的方法：Per-face和Per-vertex：

　　在OpenGL中使用方法如下：

　　Per-face：

　　Per-vertex：

　　所产生的效果，per-face会对于曲面会产生粗糙分割面的感觉，我们称之为“Flat Shading”，per-vertex则会产生平滑感，称之为“Smooth Shading”。

　　再介绍一个函数glShadeModel函数。用于控制opengl中绘制指定两点间其他点颜色的过渡模式。参数一般为GL_SMOOTH（默认）,GL_FLAT。OpenGL默认是将制定的两点颜色进行插值，绘制之间的其他点，如果两点的颜色相同，使用两个参数效果相同，如果两点颜色不同，GL_SMOOTH会出现过渡效果，GL_FLAT 则只是以指定的某一点的单一色绘制其他所有点。看下效果：

　　GL_FLAT:

　　

　　GL_SMOOTH:

　　

　　来看看具体调用和结合Per-face/Per-vertex的效果：

　　

　　注意这里介绍一下，glEnable( GL_NORMALIZE )，在进行光照计算之前自动单位化法向量。之所以需要自动单位化法向量是因为法向量会受到glScalef的影响，当glScalef将物体的坐标放大k倍时，法向量变为1/k。具体调用如下：

　　5.3 OpenGL内置光照模型

　　OpenGL光照分为三种，Ambient(环境光）,Diffuse(漫射光）和Specular（镜面反射光）。

　　Ambient 不依赖于光源的方向。光线在物体表面上向各个方向上均匀泛射，场景中的物体都会泛射光，这些泛射光又会照射到其他 物体上继续被泛射，直到光子能量耗尽为止，这样整个场景中散布着这样的泛射光。可通过设置一个颜色常量来表示环境光。Ambient = a constant。

　　Diffuse 只依赖于光源的方向和法线的方向。因此为只和表面与光线入射夹角有关的光线。我们之所以能看到物体，就是因为物体将入射的光然后向各个方向反射（所以称之为漫反射）。物体的漫反射材质属性对物体的颜色起着决定性作用。Diffuse = I*cosΘ，Θ为入射角角度，也就是光来的方向和法线的夹角。

　　Specular依赖于光源的方向，法线的方向和视角的方向。不但和表面与光线入射夹角有关，而且还和观察角度有关的光线，并且根据表面光滑程度，呈现不同亮度，越光滑，越容易产生高光区域。在 OpenGL 中，镜面光的强度可通过光滑度（shininess）来调节。

　　Specular = I*cossφ ，其中指数s就是光滑度。1/s就是粗糙度(Roughness)。

　　看一下效果图：

　　

　　下面介绍一下三种不同的光源。

　　Directional Light 平行光(方向光)，可以改变角度。可以联想太阳光。

　　Point Light 点光源(由一个点向四周发射光源)，可以改变位置。可以联想灯泡。

　　Spot Light 聚光灯(聚光/锥光)。比较耗费资源，可以改变位置和角度。可以联想手电筒。

　　

　　再看一下光源位置不同造成的不同效果：

　　

　　左边是点光源在人眼位置，右边为点光源在坐标原点。

　　5.4 使用OpenGL光照

　　教大家一个简单的运用光照的代码：

　　然后再设置全局光照信息：

　　这样有个好处就是可以轻松控制光的强度，比如这里的0.3f。

　　设置材质：

　　设置光源特性：

　　可以将这些代码整合为以下代码，放到方法体里面去：

　　

　　

　　具体怎么使用，还需要各位参见Github我们的源码再实战一下。才能真正体会到光照这一块的用法。

　　这是新年前最后一更啦，要放假啦！大家也假期多休息多陪陪家人吧，别码代码了，哈哈哈。年后再见吧?。