今天要講的是OpenGL光照的基本知識。雖然內(nèi)容顯得有點多，但條理還算比較清晰，理解起來應(yīng)該沒有困難。即使對于一些內(nèi)容沒有記住，問題也不大——光照部分是一個比較獨立的內(nèi)容，它的學(xué)習(xí)與其它方面的學(xué)習(xí)可以分開，不像視圖變換那樣，影響到許多方面。課程的最后給出了一個有關(guān)光照效果的動畫演示程序，我想大家會喜歡的。
從生理學(xué)的角度上講，眼睛之所以看見各種物體，是因為光線直接或間接的從它們那里到達了眼睛。人類對于光線強弱的變化的反應(yīng)，比對于顏色變化的反應(yīng)來得靈敏。因此對于人類而言，光線很大程度上表現(xiàn)了物體的立體感。
請看圖1，圖中繪制了兩個大小相同的白色球體。其中右邊的一個是沒有使用任何光照效果的，它看起來就像是一個二維的圓盤，沒有立體的感覺。左邊的一個是使用了簡單的光照效果的，我們通過光照的層次，很容易的認為它是一個三維的物體。
圖1
OpenGL對于光照效果提供了直接的支持，只需要調(diào)用某些函數(shù)，便可以實現(xiàn)簡單的光照效果。但是在這之前，我們有必要了解一些基礎(chǔ)知識。
一、建立光照模型
在現(xiàn)實生活中，某些物體本身就會發(fā)光，例如太陽、電燈等，而其它物體雖然不會發(fā)光，但可以反射來自其它物體的光。這些光通過各種方式傳播，最后進入我們的眼睛——于是一幅畫面就在我們的眼中形成了。
就目前的計算機而言，要準(zhǔn)確模擬各種光線的傳播，這是無法做到的事情。比如一個四面都是粗糙墻壁的房間，一盞電燈所發(fā)出的光線在很短的時間內(nèi)就會經(jīng)過非常多次的反射，最終幾乎布滿了房間的每一個角落，這一過程即使使用目前運算速度最快的計算機，也無法精確模擬。不過，我們并不需要精確的模擬各種光線，只需要找到一種近似的計算方式，使它的最終結(jié)果讓我們的眼睛認為它是真實的，這就可以了。
OpenGL在處理光照時采用這樣一種近似：把光照系統(tǒng)分為三部分，分別是光源、材質(zhì)和光照環(huán)境。光源就是光的來源，可以是前面所說的太陽或者電燈等。材質(zhì)是指接受光照的各種物體的表面，由于物體如何反射光線只由物體表面決定（OpenGL中沒有考慮光的折射），材質(zhì)特點就決定了物體反射光線的特點。光照環(huán)境是指一些額外的參數(shù)，它們將影響最終的光照畫面，比如一些光線經(jīng)過多次反射后，已經(jīng)無法分清它究竟是由哪個光源發(fā)出，這時，指定一個“環(huán)境亮度”參數(shù)，可以使最后形成的畫面更接近于真實情況。
在物理學(xué)中，光線如果射入理想的光滑平面，則反射后的光線是很規(guī)則的（這樣的反射稱為鏡面反射）。光線如果射入粗糙的、不光滑的平面，則反射后的光線是雜亂的（這樣的反射稱為漫反射）。現(xiàn)實生活中的物體在反射光線時，并不是絕對的鏡面反射或漫反射，但可以看成是這兩種反射的疊加。對于光源發(fā)出的光線，可以分別設(shè)置其經(jīng)過鏡面反射和漫反射后的光線強度。對于被光線照射的材質(zhì)，也可以分別設(shè)置光線經(jīng)過鏡面反射和漫反射后的光線強度。這些因素綜合起來，就形成了最終的光照效果。
二、法線向量根據(jù)光的反射定律，由光的入射方向和入射點的法線就可以得到光的出射方向。因此，對于指定的物體，在指定了光源后，即可計算出光的反射方向，進而計算出光照效果的畫面。在OpenGL中，法線的方向是用一個向量來表示。
不幸的是，OpenGL并不會根據(jù)你所指定的多邊形各個頂點來計算出這些多邊形所構(gòu)成的物體的表面的每個點的法線（這話聽著有些迷糊），通常，為了實現(xiàn)光照效果，需要在代碼中為每一個頂點指定其法線向量。
指定法線向量的方式與指定顏色的方式有雷同之處。在指定顏色時，只需要指定每一個頂點的顏色，OpenGL就可以自行計算頂點之間的其它點的顏色。并且，顏色一旦被指定，除非再指定新的顏色，否則以后指定的所有頂點都將以這一向量作為自己的顏色。在指定法線向量時，只需要指定每一個頂點的法線向量，OpenGL會自行計算頂點之間的其它點的法線向量。并且，法線向量一旦被指定，除非再指定新的法線向量，否則以后指定的所有頂點都將以這一向量作為自己的法線向量。使用glColor*函數(shù)可以指定顏色，而使用glNormal*函數(shù)則可以指定法線向量。
注意：使用glTranslate*函數(shù)或者glRotate*函數(shù)可以改變物體的外觀，但法線向量并不會隨之改變。然而，使用glScale*函數(shù)，對每一坐標(biāo)軸進行不同程度的縮放，很有可能導(dǎo)致法線向量的不正確，雖然OpenGL提供了一些措施來修正這一問題，但由此也帶來了各種開銷。因此，在使用了法線向量的場合，應(yīng)盡量避免使用glScale*函數(shù)。即使使用，也最好保證各坐標(biāo)軸進行等比例縮放。
三、控制光源
在OpenGL中，僅僅支持有限數(shù)量的光源。使用GL_LIGHT0表示第0號光源，GL_LIGHT1表示第1號光源，依次類推，OpenGL至少會支持8個光源，即GL_LIGHT0到GL_LIGHT7。使用glEnable函數(shù)可以開啟它們。例如，glEnable(GL_LIGHT0);可以開啟第0號光源。使用glDisable函數(shù)則可以關(guān)閉光源。一些OpenGL實現(xiàn)可能支持更多數(shù)量的光源，但總的來說，開啟過多的光源將會導(dǎo)致程序運行速度的嚴(yán)重下降，玩過3D Mark的朋友可能多少也有些體會。一些場景中可能有成百上千的電燈，這時可能需要采取一些近似的手段來進行編程，否則以目前的計算機而言，是無法運行這樣的程序的。
每一個光源都可以設(shè)置其屬性，這一動作是通過glLight*函數(shù)完成的。glLight*函數(shù)具有三個參數(shù)，第一個參數(shù)指明是設(shè)置哪一個光源的屬性，第二個參數(shù)指明是設(shè)置該光源的哪一個屬性，第三個參數(shù)則是指明把該屬性值設(shè)置成多少。光源的屬性眾多，下面將分別介紹。
（1）GL_AMBIENT、GL_DIFFUSE、GL_SPECULAR屬性。這三個屬性表示了光源所發(fā)出的光的反射特性（以及顏色）。每個屬性由四個值表示，分別代表了顏色的R, G, B, A值。GL_AMBIENT表示該光源所發(fā)出的光，經(jīng)過非常多次的反射后，最終遺留在整個光照環(huán)境中的強度（顏色）。GL_DIFFUSE表示該光源所發(fā)出的光，照射到粗糙表面時經(jīng)過漫反射，所得到的光的強度（顏色）。GL_SPECULAR表示該光源所發(fā)出的光，照射到光滑表面時經(jīng)過鏡面反射，所得到的光的強度（顏色）。
（2）GL_POSITION屬性。表示光源所在的位置。由四個值（X, Y, Z, W）表示。如果第四個值W為零，則表示該光源位于無限遠處，前三個值表示了它所在的方向。這種光源稱為方向性光源，通常，太陽可以近似的被認為是方向性光源。如果第四個值W不為零，則X/W, Y/W, Z/W表示了光源的位置。這種光源稱為位置性光源。對于位置性光源，設(shè)置其位置與設(shè)置多邊形頂點的方式相似，各種矩陣變換函數(shù)例如：glTranslate*、glRotate*等在這里也同樣有效。方向性光源在計算時比位置性光源快了不少，因此，在視覺效果允許的情況下，應(yīng)該盡可能的使用方向性光源。
（3）GL_SPOT_DIRECTION、GL_SPOT_EXPONENT、GL_SPOT_CUTOFF屬性。表示將光源作為聚光燈使用（這些屬性只對位置性光源有效）。很多光源都是向四面八方發(fā)射光線，但有時候一些光源則是只向某個方向發(fā)射，比如手電筒，只向一個較小的角度發(fā)射光線。GL_SPOT_DIRECTION屬性有三個值，表示一個向量，即光源發(fā)射的方向。GL_SPOT_EXPONENT屬性只有一個值，表示聚光的程度，為零時表示光照范圍內(nèi)向各方向發(fā)射的光線強度相同，為正數(shù)時表示光照向中央集中，正對發(fā)射方向的位置受到更多光照，其它位置受到較少光照。數(shù)值越大，聚光效果就越明顯。GL_SPOT_CUTOFF屬性也只有一個值，表示一個角度，它是光源發(fā)射光線所覆蓋角度的一半（見圖2），其取值范圍在0到90之間，也可以取180這個特殊值。取值為180時表示光源發(fā)射光線覆蓋360度，即不使用聚光燈，向全周圍發(fā)射。
圖2
（4）GL_CONSTANT_ATTENUATION、GL_LINEAR_ATTENUATION、GL_QUADRATIC_ATTENUATION屬性。這三個屬性表示了光源所發(fā)出的光線的直線傳播特性（這些屬性只對位置性光源有效）。現(xiàn)實生活中，光線的強度隨著距離的增加而減弱，OpenGL把這個減弱的趨勢抽象成函數(shù)：
衰減因子 = 1 / (k1 + k2 * d + k3 * k3 * d)
其中d表示距離，光線的初始強度乘以衰減因子，就得到對應(yīng)距離的光線強度。k1, k2, k3分別就是GL_CONSTANT_ATTENUATION, GL_LINEAR_ATTENUATION, GL_QUADRATIC_ATTENUATION。通過設(shè)置這三個常數(shù)，就可以控制光線在傳播過程中的減弱趨勢。
屬性還真是不少。當(dāng)然了，如果是使用方向性光源，（3）（4）這兩類屬性就不會用到了，問題就變得簡單明了。
四、控制材質(zhì)
材質(zhì)與光源相似，也需要設(shè)置眾多的屬性。不同的是，光源是通過glLight*函數(shù)來設(shè)置的，而材質(zhì)則是通過glMaterial*函數(shù)來設(shè)置的。
glMaterial*函數(shù)有三個參數(shù)。第一個參數(shù)表示指定哪一面的屬性。可以是GL_FRONT、GL_BACK或者GL_FRONT_AND_BACK。分別表示設(shè)置“正面”“背面”的材質(zhì)，或者兩面同時設(shè)置。（關(guān)于“正面”“背面”的內(nèi)容需要參看前些課程的內(nèi)容）第二、第三個參數(shù)與glLight*函數(shù)的第二、三個參數(shù)作用類似。下面分別說明glMaterial*函數(shù)可以指定的材質(zhì)屬性。
（1）GL_AMBIENT、GL_DIFFUSE、GL_SPECULAR屬性。這三個屬性與光源的三個對應(yīng)屬性類似，每一屬性都由四個值組成。GL_AMBIENT表示各種光線照射到該材質(zhì)上，經(jīng)過很多次反射后最終遺留在環(huán)境中的光線強度（顏色）。GL_DIFFUSE表示光線照射到該材質(zhì)上，經(jīng)過漫反射后形成的光線強度（顏色）。GL_SPECULAR表示光線照射到該材質(zhì)上，經(jīng)過鏡面反射后形成的光線強度（顏色）。通常，GL_AMBIENT和GL_DIFFUSE都取相同的值，可以達到比較真實的效果。使用GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE可以同時設(shè)置GL_AMBIENT和GL_DIFFUSE屬性。
（2）GL_SHININESS屬性。該屬性只有一個值，稱為“鏡面指數(shù)”，取值范圍是0到128。該值越小，表示材質(zhì)越粗糙，點光源發(fā)射的光線照射到上面，也可以產(chǎn)生較大的亮點。該值越大，表示材質(zhì)越類似于鏡面，光源照射到上面后，產(chǎn)生較小的亮點。
（3）GL_EMISSION屬性。該屬性由四個值組成，表示一種顏色。OpenGL認為該材質(zhì)本身就微微的向外發(fā)射光線，以至于眼睛感覺到它有這樣的顏色，但這光線又比較微弱，以至于不會影響到其它物體的顏色。
（4）GL_COLOR_INDEXES屬性。該屬性僅在顏色索引模式下使用，由于顏色索引模式下的光照比RGBA模式要復(fù)雜，并且使用范圍較小，這里不做討論。
五、選擇光照模型
這里所說的“光照模型”是OpenGL的術(shù)語，它相當(dāng)于我們在前面提到的“光照環(huán)境”。在OpenGL中，光照模型包括四個部分的內(nèi)容：全局環(huán)境光線（即那些充分散射，無法分清究竟來自哪個光源的光線）的強度、觀察點位置是在較近位置還是在無限遠處、物體正面與背面是否分別計算光照、鏡面顏色（即GL_SPECULAR屬性所指定的顏色)的計算是否從其它光照計算中分離出來，并在紋理操作以后在進行應(yīng)用。
以上四方面的內(nèi)容都通過同一個函數(shù)glLightModel*來進行設(shè)置。該函數(shù)有兩個參數(shù)，第一個表示要設(shè)置的項目，第二個參數(shù)表示要設(shè)置成的值。
GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT表示全局環(huán)境光線強度，由四個值組成。
GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER表示是否在近處觀看，若是則設(shè)置為GL_TRUE，否則（即在無限遠處觀看）設(shè)置為GL_FALSE。
GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE表示是否執(zhí)行雙面光照計算。如果設(shè)置為GL_TRUE，則OpenGL不僅將根據(jù)法線向量計算正面的光照，也會將法線向量反轉(zhuǎn)并計算背面的光照。
GL_LIGHT_MODEL_COLOR_CONTROL表示顏色計算方式。如果設(shè)置為GL_SINGLE_COLOR，表示按通常順序操作，先計算光照，再計算紋理。如果設(shè)置為GL_SEPARATE_SPECULAR_COLOR，表示將GL_SPECULAR屬性分離出來，先計算光照的其它部分，待紋理操作完成后再計算GL_SPECULAR。后者通常可以使畫面效果更為逼真（當(dāng)然，如果本身就沒有執(zhí)行任何紋理操作，這樣的分離就沒有任何意義）。
六、最后的準(zhǔn)備到現(xiàn)在可以說是完事俱備了。不過，OpenGL默認是關(guān)閉光照處理的。要打開光照處理功能，使用下面的語句：
glEnable(GL_LIGHTING);
要關(guān)閉光照處理功能，使用glDisable(GL_LIGHTING);即可。
七、示例程序
到現(xiàn)在，我們已經(jīng)可以編寫簡單的使用光照的OpenGL程序了。
我們?nèi)匀灰蕴枴⒌厍蜃鳛槔樱ㄟ@次就不考慮月亮了^-^），把太陽作為光源，模擬地球圍繞太陽轉(zhuǎn)動時光照的變化。于是，需要設(shè)置一個光源——太陽，設(shè)置兩種材質(zhì)——太陽的材質(zhì)和地球的材質(zhì)。把太陽光線設(shè)置為白色，位置在畫面正中。把太陽的材質(zhì)設(shè)置為微微散發(fā)出紅色的光芒，把地球的材質(zhì)設(shè)置為微微散發(fā)出暗淡的藍色光芒，并且反射藍色的光芒，鏡面指數(shù)設(shè)置成一個比較小的值。簡單起見，不再考慮太陽和地球的大小關(guān)系，用同樣大小的球體來代替之。
關(guān)于法線向量。球體表面任何一點的法線向量，就是球心到該點的向量。如果使用glutSolidSphere函數(shù)來繪制球體，則該函數(shù)會自動的指定這些法線向量，不必再手工指出。如果是自己指定若干的頂點來繪制一個球體，則需要自己指定法線響亮。
由于我們使用的太陽是一個位置性光源，在設(shè)置它的位置時，需要利用到矩陣變換。因此，在設(shè)置光源的位置以前，需要先設(shè)置好各種矩陣。利用gluPerspective函數(shù)來創(chuàng)建具有透視效果的視圖。我們也將利用前面課程所學(xué)習(xí)的動畫知識，讓整個畫面動起來。
下面給出具體的代碼：
#include <gl/glut.h>
#define WIDTH 400
#define HEIGHT 400
static GLfloat angle = 0.0f;
void myDisplay(void)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
// 創(chuàng)建透視效果視圖
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
gluPerspective(90.0f, 1.0f, 1.0f, 20.0f);
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
gluLookAt(0.0, 5.0, -10.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);
// 定義太陽光源，它是一種白色的光源
{
GLfloat sun_light_position[] = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};
GLfloat sun_light_ambient[] = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};
GLfloat sun_light_diffuse[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};
GLfloat sun_light_specular[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, sun_light_position);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, sun_light_ambient);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, sun_light_diffuse);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, sun_light_specular);
glEnable(GL_LIGHT0);
glEnable(GL_LIGHTING);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
}
// 定義太陽的材質(zhì)并繪制太陽
{
GLfloat sun_mat_ambient[] = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};
GLfloat sun_mat_diffuse[] = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};
GLfloat sun_mat_specular[] = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};
GLfloat sun_mat_emission[] = {0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};
GLfloat sun_mat_shininess = 0.0f;
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, sun_mat_ambient);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, sun_mat_diffuse);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, sun_mat_specular);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_EMISSION, sun_mat_emission);
glMaterialf (GL_FRONT, GL_SHININESS, sun_mat_shininess);
glutSolidSphere(2.0, 40, 32);
}
// 定義地球的材質(zhì)并繪制地球
{
GLfloat earth_mat_ambient[] = {0.0f, 0.0f, 0.5f, 1.0f};
GLfloat earth_mat_diffuse[] = {0.0f, 0.0f, 0.5f, 1.0f};
GLfloat earth_mat_specular[] = {0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f};
GLfloat earth_mat_emission[] = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};
GLfloat earth_mat_shininess = 30.0f;
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, earth_mat_ambient);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, earth_mat_diffuse);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, earth_mat_specular);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_EMISSION, earth_mat_emission);
glMaterialf (GL_FRONT, GL_SHININESS, earth_mat_shininess);
glRotatef(angle, 0.0f, -1.0f, 0.0f);
glTranslatef(5.0f, 0.0f, 0.0f);
glutSolidSphere(2.0, 40, 32);
}
glutSwapBuffers();
}
void myIdle(void)
{
angle += 1.0f;
if( angle >= 360.0f )
angle = 0.0f;
myDisplay();
}
int main(int argc, char* argv[])
{
glutInit(&argc, argv);
glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA | GLUT_DOUBLE);
glutInitWindowPosition(200, 200);
glutInitWindowSize(WIDTH, HEIGHT);
glutCreateWindow("OpenGL光照演示");
glutDisplayFunc(&myDisplay);
glutIdleFunc(&myIdle);
glutMainLoop();
return 0;
}
小結(jié)：
本課介紹了OpenGL光照的基本知識。OpenGL把光照分解為光源、材質(zhì)、光照模式三個部分，根據(jù)這三個部分的各種信息，以及物體表面的法線向量，可以計算得到最終的光照效果。
光源、材質(zhì)和光照模式都有各自的屬性，盡管屬性種類繁多，但這些屬性都只用很少的幾個函數(shù)來設(shè)置。使用glLight*函數(shù)可設(shè)置光源的屬性，使用glMaterial*函數(shù)可設(shè)置材質(zhì)的屬性，使用glLightModel*函數(shù)可設(shè)置光照模式。
GL_AMBIENT、GL_DIFFUSE、GL_SPECULAR這三種屬性是光源和材質(zhì)所共有的，如果某光源發(fā)出的光線照射到某材質(zhì)的表面，則最終的漫反射強度由兩個GL_DIFFUSE屬性共同決定，最終的鏡面反射強度由兩個GL_SPECULAR屬性共同決定。
可以使用多個光源來實現(xiàn)各種逼真的效果，然而，光源數(shù)量的增加將造成程序運行速度的明顯下降。
在使用OpenGL光照過程中，屬性的種類和數(shù)量都非常繁多，通常，需要很多的經(jīng)驗才可以熟練的設(shè)置各種屬性，從而形成逼真的光照效果。（各位也看到了，其實這個課程的示例程序中，屬性設(shè)置也不怎么好）。然而，設(shè)置這些屬性的藝術(shù)性遠遠超過了技術(shù)性，往往是一些美術(shù)制作人員設(shè)置好各種屬性（并保存為文件），然后由程序員編寫的程序去執(zhí)行繪制工作。因此，即使目前無法熟練運用各種屬性，也不必過于擔(dān)心。如果條件允許，可以玩玩類似3DS MAX之類的軟件，對理解光照、熟悉各種屬性設(shè)置會有一些幫助。
在課程的最后，我們給出了一個樣例程序，演示了太陽和地球模型中的光照效果。