通过OSG实现对模型的日照模拟

1. 加载模型

通过OpenSceneGraph加载一个倾斜摄影的场景模型数据：

#include 
#include 

#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
    string osgPath = "D:/Data/Dayanta_OSGB/Data/MultiFoderReader.osgb";
    osg::Node * node = osgDB::readNodeFile(osgPath);
    osgViewer::Viewer viewer;
    viewer.setSceneData(node);
    viewer.setUpViewInWindow(100, 100, 800, 600);
    return viewer.run();
}

运行结果显示的场景如下：

想要对模型进行日照模拟，就需要用到光照和阴影技术。注意此时模型上的部分阴影是纹理上自带的。

2. 光照

osgViewer的默认场景中是有灯光的，调整上述的场景的视角，某些地方是全黑的，而且场景效果偏暗。这里需要设置自己需要的环境反射和漫反射。

1) 环境反射

环境反射是针对环境光而言的，在环境反射中，环境光照射物体是各方面均匀、强度相等的，因此环境光不用设置位置和方向，只需要指定颜色。

2) 漫反射

漫反射是针对平行光和点光源光而言的。太阳光照就是平行光，由于太阳距离地球很远，阳光到达地球的时可以认为是平行的。平行光可以用一个方向和一个颜色来定义。当然，对于像灯泡那样的点光源光，还需要指定光源的位置。

3) 日照方向

(1) 太阳高度角和太阳方位角

对于太阳光照来说，其方向并不是随便设置的。这里需要引入太阳高度角和太阳方位角两个概念，通过这两个角度，可以确定日照的方向。

太阳高度角指的就是太阳光的入射方向和地平面之间的夹角；而太阳方位角略微复杂点，指的是太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方向的夹角。其中方位角以正南方向为0，由南向东向北为负，有南向西向北为正。例如太阳在正东方，则其方位角为-90度；在正东北方时，方位角为-135度；在正西方时，方位角是90度，在正西北方为135度；当然在正北方时方位角可以表示为正负180度。

(2) 计算过程

根据上述定义，对于空间某一点的日照光线，可以有如下示意图。

令太阳光线长度L1=1，有如下推算过程：

α是太阳高度角，则日照方向Z长度L3=sin(α)；
L1在地平面（XY）平面的长度L2 = cos(α)；
β是太阳方位角，则日照方向X长度L5 = L2cos(β);
同时日照方向Y长度L4 = L2sin(β)。

因此，对于太阳高度角α和太阳方位角β，日照光线的单位向量n(x,y,z)为：

X = cos(α)cos(β);
Y = cos(α)sin(β);
Z = sin(α);

4) 改进实现

在OSG中是通过设置光照节点加入到场景节点中来实现光照的。这里把太阳高度角设置成45度，太阳方位角度设置成315度。通过上述转换，得到光照方向。有一点要注意的是osg::Light没有显式的设置平行光的接口，请教大牛才知道只需要在setPosition()函数中设置w分量为0就可以了。关于这一点我也确实有点不理解。

#include 
#include 

#include 
#include 
#include 

using namespace std;
using namespace osg;

//添加灯光节点
void AddLight(osg::ref_ptr group)
{
    double solarAltitude = 45.0;
    double solarAzimuth = 315.0;

    //开启光照
    osg::ref_ptr stateset = new osg::StateSet();
    stateset = group->getOrCreateStateSet();
    stateset->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::ON);                // 启用光照
    stateset->setMode(GL_LIGHT0, osg::StateAttribute::ON);              // 启用指定光源

    //创建一个Light对象
    osg::ref_ptr light = new osg::Light();
    light->setLightNum(0);

    //设置方向：平行光
    osg::Vec3 arrayvector(0.0f, 0.0f, -1.0f);
    double fAltitude = osg::DegreesToRadians(solarAltitude);                //光源高度角
    double fAzimuth = osg::DegreesToRadians(solarAzimuth);          //光源方位角
    arrayvector[0] = cos(fAltitude)*cos(fAzimuth);
    arrayvector[1] = cos(fAltitude)*sin(fAzimuth);
    arrayvector[2] = sin(fAltitude);
    light->setDirection(arrayvector);

    //平行光位置任意，但是w分量要为0
    osg::Vec4 lightpos(arrayvector[0], arrayvector[1], arrayvector[2], 0.0f);
    light->setPosition(lightpos);   

    //设置环境光的颜色
    light->setAmbient(osg::Vec4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f));

    //设置散射光颜色
    light->setDiffuse(osg::Vec4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f));     

    //    //设置恒衰减指数
    //    light->setConstantAttenuation(1.0f);
    //    //设置线形衰减指数
    //    light->setLinearAttenuation(0.0f);
    //    //设置二次方衰减指数
    //    light->setQuadraticAttenuation(0.0f);

    //创建光源
    osg::ref_ptr lightSource = new osg::LightSource();
    lightSource->setLight(light);

    group->addChild(lightSource);
}


int main()
{
    //根节点
    osg::ref_ptr root = new osg::Group; 
    root->getOrCreateStateSet()->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::OFF | osg::StateAttribute::OVERRIDE);        //默认去掉光照

    //
    string osgPath = "C:/Data/baoli/Production_3/Data/MultiFoderReader.osgb";
    osg::Node * node = osgDB::readNodeFile(osgPath);
    root->addChild(node);

    //
    AddLight(root);

    //
    osgViewer::Viewer viewer;
    viewer.setSceneData(root);
    viewer.setUpViewInWindow(100, 100, 800, 600);
    return viewer.run();
}

最终运行结果是模型整体有了亮度，但是由于纹理的效果，光照的明暗效果的效果没有显现出来。但是如果是白模，将会看到很明显的明暗效果。

3. 阴影

在OSG中已经实现了生成阴影的组件osgShadow。其具体调用方式也比较简单，首先将节点和灯光加入到ShadowedScene对象，然后标明投射者和被投射者，最后选择一种阴影渲染算法应用到场景就可以了。

注意这里的阴影渲染算法应该选用ShadowMap，因为我这里的投射者和被投射者都是同一个物体，很多例子里面用的ShadowTexture算法是不支持自投影的。

#include 
#include 

#include 
#include 
#include 

#include 
#include 

using namespace std;
using namespace osg;

//添加灯光节点
void AddLight(osg::ref_ptr group)
{
    double solarAltitude = 45.0;
    double solarAzimuth = 315.0;

    //开启光照
    osg::ref_ptr stateset = new osg::StateSet();
    stateset = group->getOrCreateStateSet();
    stateset->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::ON);                // 启用光照
    stateset->setMode(GL_LIGHT0, osg::StateAttribute::ON);              // 启用指定光源

    //创建一个Light对象
    osg::ref_ptr light = new osg::Light();
    light->setLightNum(0);

    //设置方向：平行光
    osg::Vec3 arrayvector(0.0f, 0.0f, -1.0f);
    double fAltitude = osg::DegreesToRadians(solarAltitude);                //光源高度角
    double fAzimuth = osg::DegreesToRadians(solarAzimuth);          //光源方位角
    arrayvector[0] = cos(fAltitude)*cos(fAzimuth);
    arrayvector[1] = cos(fAltitude)*sin(fAzimuth);
    arrayvector[2] = sin(fAltitude);
    light->setDirection(arrayvector);

    //平行光位置任意，但是w分量要为0
    osg::Vec4 lightpos(arrayvector[0], arrayvector[1], arrayvector[2], 0.0f);
    light->setPosition(lightpos);   

    //设置环境光的颜色
    light->setAmbient(osg::Vec4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f));

    //设置散射光颜色
    light->setDiffuse(osg::Vec4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f));     

    //    //设置恒衰减指数
    //    light->setConstantAttenuation(1.0f);
    //    //设置线形衰减指数
    //    light->setLinearAttenuation(0.0f);
    //    //设置二次方衰减指数
    //    light->setQuadraticAttenuation(0.0f);

    //创建光源
    osg::ref_ptr lightSource = new osg::LightSource();
    lightSource->setLight(light);

    group->addChild(lightSource);
}


int main()
{
    //根节点
    osg::ref_ptr root = new osg::Group; 
    root->getOrCreateStateSet()->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::OFF | osg::StateAttribute::OVERRIDE);        //默认去掉光照

    //标识阴影接收对象                                                                                                                      
    const int ReceivesShadowTraversalMask = 0x1;
    //标识阴影投影对象
    const int CastsShadowTraversalMask = 0x2;

    //阴影节点
    osg::ref_ptr shadowedScene = new osgShadow::ShadowedScene();
    shadowedScene->setReceivesShadowTraversalMask(ReceivesShadowTraversalMask);
    shadowedScene->setCastsShadowTraversalMask(CastsShadowTraversalMask);   
    root->addChild(shadowedScene);
    
    //场景节点
    string osgPath = "C:/Data/baoli/Production_3/Data/MultiFoderReader.osgb";
    osg::Node * node = osgDB::readNodeFile(osgPath);
    shadowedScene->addChild(node);
    
    //设置投射者
    node->setNodeMask(CastsShadowTraversalMask);               //只需要设置投射体，那么默认情况下所有的物体都是被投物体

    //ShadowMap阴影算法
    osg::ref_ptr sm = new osgShadow::ShadowMap;
    shadowedScene->setShadowTechnique(sm.get());

    //
    AddLight(shadowedScene);

    //
    osgViewer::Viewer viewer;
    viewer.setSceneData(root);
    viewer.setUpViewInWindow(100, 100, 800, 600);
    return viewer.run();
}

最后的实现效果如下，可以看到很明显的阴影效果：

4. 太阳高度角与太阳方位角的计算

到这里光照和阴影的效果就已经完全实现了，但是我这里模拟的是太阳日照的效果，那么一个新的问题又产生了。前面说根据太阳高度角与太阳方位角计算光照的方向。那么太阳高度角与太阳方位角又是怎么计算出来的呢？这里推荐一篇写的不错的文章：太阳高度角方位角计算。可惜这篇文章的图片已失效，我这里就把四个计算公式再贴一下：

1) 太阳高度角计算公式

2) 太阳方位角计算公式

3) 太阳赤纬计算公式

4) 时角计算公式

5) 真太阳时

那篇文章中其他的公式都很清晰，但是关于真太阳时的描述其实我觉得没有讲清楚，看的是一头雾水。后来我也在网上查阅一些资料，令人好笑的是这个真太阳时关联的最多的却是算命算生辰八字。那我就通过这个一步步来讲这个真太阳时是怎么来的。

我们知道，古代是通过日晷等方式来计时的，例如午时就是影子最短的时候。但是由于日照到达地球的差异，乌鲁木齐和北京的午时肯定不是同一时刻。古代的人没有那个技术条件，将各地的时间统一起来，都是各地用各自的地方时来计时。所以算生辰八字和计算日照一样，都需要当地最精确的太阳光照造成的时间，这个时间就是真太阳时。

但是我们现在都是有行政时间的，无论在北京或者乌鲁木齐，用的都是东经120度的中国北京时间。而在世界上是分24个时区的，每15度就是一个时区。那么可以算算北京时间12点整在乌鲁木齐的真太阳时是多少。

经查阅乌鲁木齐的经度大约为87.68，那么时差为(87.68- 120.0)/15.0=-2.154667，也就是负2小时9分钟16.8秒，因此可算得乌鲁木齐的地方时就是9时50分43.2秒。那么这个算出来的地方时是不是就是真太阳时呢？

其实也不是的。这个时间其实是平太阳时。平太阳时假设地球绕太阳是标准的圆形，一年中每天都是均匀的。但是地球绕日运行的轨道是椭圆的，则地球相对于太阳的自转并不是均匀的，每天并不都是24小时，有时候少有时候多。这个时间差异就是真太阳时差。

在查阅真太阳时差的时候发现资料真的挺少，而且各有说法。有的说真太阳时差每年都不一样，是根据天文信息计算出来的，每年都会发布一次；而在维基百科上面给出了每天的真太阳时差的模拟计算公式；更多的是给了一张表，按照表的日期取值就行了[什么是真太阳时]。我这里只能采信第三种，例如5月29日的真太阳时差是+2分22秒，那么将上面计算的平太阳时加上这个时差，为9时53分5.2秒。即5月29日北京时间乌鲁木齐的真太阳时为9时53分5.2秒。

5. 参考文献

1. Shadows
2. 太阳高度角方位角计算
3. 什么是真太阳时
4. (转载)关于太阳（卫星）天顶角，太阳高度角，太阳方位角的整理
5. DEM-地貌晕渲图的生成原理
6. OSG 学习第四天：光照