OSG编程指南＜十七＞：OSG光照与材质
1、OSG光照
OSG 全面支持 OpenGL 的光照特性，包括材质属性（material property）、光照属性（light property）和光照模型（lighting model）。与 OpenGL 相似，OSG 中的光源也是不可见的，而非渲染一个灯泡或其他自然形状。同样，光源会创建着色效果，但并不创建阴影，osgShadow 可以用来创建阴影。
1.1 osg::Light 类
OSG 将 OpenGL 中的 glLight()作了一个 light 状态的类封装，用于保存灯光的模式与属性参数信息。osg::Light 类派生自 osg::StateAttribute 类，继承了对模式与属性参数信息的操作接口。在 osg::light 类中通过 apply（State&state）函数将灯光的状态参数信息应用到 OpenGL 的状态机中。
osg::Light 类包括的属性参数如下：
int _lightnum; //灯光数量
Vec4 _ambient; //环境光颜色
Vec4 _diffuse; //漫射光颜色
Vec4 _specular; //镜面光颜色
Vec4 _position; //光源的位置信息
Vec3 _direction; //光源的方向
float _constant_attenuation; //常量衰减
float _linear_attenuation; //线性衰减
float _quadratic_attenuation;//二次方衰减
float _spot_exponent; //指数衰减
float _spot_cutoff; //关闭衰减（spread）
上面的参数应该都比较容易理解。OSG 支持最多 8 个光源，即 GL_LIGHT0～GL_LIGHT7，这与OpenGL 版本也有关系。
1.2 osg::LightSource 类
osg::LightSource 类直接继承自 osg::Group。作为一个灯光管理类，继承了 osg::Group 类的管理节点的接口；将灯光作为一个节点可以加入到场景图中进行渲染。
osg::LightSource 类中的成员函数为：
void setReferenceFrame (ReferenceFrame rf)//设置帧引用
帧引用包括如下两个枚举变量：
enum ReferenceFrame
{
RELATIVE_RF, //相对帧引用
ABSOLUTE_RF //绝对帧引用
};
设置光源的引用帧时，不是相对于父节点的帧引用，就是相对于绝对坐标的帧，默认的设置为RELATIVE_RF，设置帧引用为 RELATIVE_RF 同样会设置 CullingActive 的标志量为（ON）状态，并且对它的父节点也起作用；否则，对它与它所有的父节点都禁用拣选（Culling），对防止不合适的拣选是必需的，如果绝对光源在场景图的深处将会对拣选的时间有影响，因此，推荐在场景的顶部使用绝对的光源。
1.3 场景中使用光源
在一个场景中添加光源主要包括以下步骤：
（1）指定场景模型的法线。
（2）允许光照并设置光照状态。
（3）指定光源属性并关联到场景图形。
对于场景中的模型，只有当其中设有单位法线时才会正确地显示光照。当场景中的模型没有指定法线时，可以用前面讲到的 osgUtil::SmoothingVisitor 自动生成法线。需要注意的是，法向量必须单位化。有时场景中的模型虽然指定了单位法向量，但是光照的计算结果过于明亮或过于暗淡（可能是缩放变换造成的），这时最有效的解决方案是在 StateSet 中允许法线的重放缩模式，代码如下：
osg::StateSet*state = geode->setOrCreateStateSet();
state->setMode(GL_RESCALE_NORMAL, osg::StateAttribute::ON);
与在 OpenGL 中相同，这一特性可以保证法线在均匀放缩变换时仍然保持单位长度。如果场景中的放缩变换是非均匀的，那么读者可以允许法线归一化模式，以保证法线为单位长度。由于要进行法线的重新放缩，归一化模式往往会耗费大量的时间，编程时要尽量避免。归一化模式的代码如下：
osg::StateSet*state = geode->setOrCreateStateSet();
state->setMode(GL_NORMALIZE, osg::StateAttribute::ON);
要在 OSG 中获得光照效果，需要允许光照并至少允许一个光源。程序 osgviewer 在默认情况下就是这样做的，它在根节点的 StateSet 中已经设置了相应的模式。读者可以在自己的程序中进行相同的设置。下面的代码段用于允许光照并为根节点的 StateSet 允许两个光源（GL_LIGHT0 和 GL_LIGHT1）：
osg::StateSet*state = root->getOrCreateStateSet();
state->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::ON);
state->setMode(GL_LIGHT0, osg::StateAttribute::ON);
state->setMode(GL_LIGHT1, osg::StateAttribute::ON);
在场景中添加一个光源，可以创建一个 osg::Light 对象以定义光源参数，然后将 osg::Light 添加到一个 osg::LightSource 节点中，并将 LightSource 节点添加到场景图形。osg::LightSource 是一个包含了唯一的 Light 定义的高效的组节点，而由 osg::Light 定义的光源将对整个场景产生影响。下面的代码实现将 osg::Light 添加到 osg::LightSource 对象中：
osg::ref_ptr<osg::LightSource> ls = new osg::LightSource;
ls->setLight(light.get());
在实际生活中，当光照照射到物体上时都会反射等现象，所以，在对光源的设置完成以后需要设置模型的表面材质，下面先看看关于光照的两个示例。
1.4 简单光源示例
#include 1.5 聚光灯示例
#include ，删除image图像
texture2D->setUnRefImageDataAfterApply(true);
// 建立纹理顶点
osg::ref_ptr<osg::Vec2Array> pVec2Array = new osg::Vec2Array;
for (int i = -100; i < 100; i += 10)
{
for (int j = -100; j < 100; j += 10)
{
osg::Vec2 textCoord(0.0, 0.0);
textCoord.x() = (double)(j + 100.0) / 200.0;
textCoord.y() = (double)(i + 100.0) / 200.0;
pVec2Array->push_back(textCoord);
}
}
// Texture类关联到渲染状态StateSet
osg::ref_ptr<osg::StateSet> pStateSet = pGeometry->getOrCreateStateSet();
// 将纹理关联给StateSet纹理单元0、osg::StateAttribute::OFF关闭纹理
pStateSet->setTextureAttributeAndModes(0, texture2D.get(), osg::StateAttribute::ON);
pGeometry->setTexCoordArray(0, pVec2Array.get());
// 建立法线数组normal
osg::ref_ptr<osg::Vec3Array> pVec3ArrayNormal = new osg::Vec3Array;
pGeometry->setNormalArray(pVec3ArrayNormal.get());
pGeometry->setNormalBinding(osg::Geometry::BIND_OVERALL);
//垂直于Z轴负方向
pVec3ArrayNormal->push_back(osg::Vec3(0.0, 0.0, 1.0));
pGeometry->setStateSet(pStateSet);
}
else
{
//设置颜色数组
pGeometry->setColorArray(color.get());
//设置颜色的绑定方式为单个顶点
pGeometry->setColorBinding(osg::Geometry::BIND_PER_VERTEX);
}
//添加到绘图基元
pGeometry->addPrimitiveSet(dt->getTriangles());
osg::ref_ptr <osg::Geode> pGNode = new osg::Geode;
pGNode->addChild(pGeometry);
return pGNode.release();
}
//创建场景
osg::ref_ptr<osg::Node> createModel()
{
osg::Vec3 center(0.0f, 0.0f, 0.0f);
float radius = 60.0f;
//创建动画模型
osg::ref_ptr<osg::Node> shadower = createMovingModel(center, radius * 0.5f);
//创建地形平面
osg::ref_ptr<osg::Node> shadowed = osgDB::readNodeFile("cow.osg");
//osg::ref_ptr shadowed = createBase(center - osg::Vec3(0.0f, 0.0f, radius * 0.1), radius);
//创建场景组节点
osg::ref_ptr<osg::Group> root = new osg::Group();
//设置状态属性
root->setStateSet(createSpotLightDecoratorState(0, 1));
//添加子节点
root->addChild(shadower.get());
root->addChild(shadowed.get());
return root.release();
}
int main()
{
osg::ref_ptr<osgViewer::Viewer> viewer = new osgViewer::Viewer();
osg::ref_ptr<osg::Group> root = new osg::Group();
//添加场景
root->addChild(createModel());
//优化场景数据
osgUtil::Optimizer optimzer;
optimzer.optimize(root.get());
//方便查看在多边形之间切换，以查看三角网
viewer->addEventHandler(new osgGA::StateSetManipulator(viewer->getCamera()->getOrCreateStateSet()));
viewer->addEventHandler(new osgViewer::StatsHandler());
viewer->addEventHandler(new osgViewer::WindowSizeHandler());
viewer->setSceneData(root.get());
viewer->setUpViewInWindow(600, 600, 800, 600);
return viewer->run();
return 0;
}
2、OSG材质
2.1 材质类
OSG 材质类（osg::Material）继承自 osg::StateAttribute 类。osg::Material 封装了 OpenGL 的 glMaterial()和 glColorMaterial()指令的函数功能。
在场景中设置节点的材质属性，首先要创建一个 osg::Material 对象，然后设置颜色和其他参数，再关联到场景图形的 StateSet 中，如下面的代码：
osg::StateSet* state = node->getOrCreateStateSet();
osg::ref_ptr<osg::Material> mat = new osg::Material;
state->setAttribute( mat.get() );
osg::Material 类包含的主要属性如下：
bool _ambientFrontAndBack; //前面与后面的环境光
Vec4 _ambientFront; //前面的环境光， r、g、b、w
Vec4 _ambientBack; //后面的环境光，r、g、b、w
bool _diffuseFrontAndBack; //前面与后面的漫射光
Vec4 _diffuseFront; //前面的漫射光，r、g、b、w
Vec4 _diffuseBack; //后面的漫射光，r、g、b、w
bool _specularFrontAndBack; //前面与后面的镜面光
Vec4 _specularFront; //前面的镜面光，r、g、b、w
Vec4 _specularBack; //后面的镜面光，r、g、b、w
bool _emissionFrontAndBack; //前面与后面的发射光（emission）
Vec4 _emissionFront; //前面的 emission，r、g、b、w
Vec4 _emissionBack; //后面的 emission，r、g、b、w
bool _shininessFrontAndBack; //前面与后面的发光（shininess）
float _shininessFront; //前面的 shininess
float _shininessBack; //后面的 shininess
注意：shininess 是一个在 0～128.0 之间的值，值越大，亮点越小、越亮。
OSG 材质的面如下：
enum Face
{
FRONT = GL_FRONT, //前
BACK = GL_BACK, //后
FRONT_AND_BACK = GL_FRONT_AND_BACK //前、后
};
OSG 材质的颜色模式如下：
enum ColorMode
{
AMBIENT = GL_AMBIENT, //环境光颜色
DIFFUSE = GL_DIFFUSE, //漫射光颜色
SPECULAR = GL_SPECULAR, //镜面光颜色
EMISSION = GL_EMISSION, //发射光颜色
AMBIENT_AND_DIFFUSE = GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE, //环境与漫射光颜色
OFF //关闭模式
};
在进行很多 OpenGL 的操作时，直接设置材质属性可能会过于耗费资源，而 OSG 提供了一种颜色跟踪材质的高效方法，操作比直接修改材质属性的效率更高，颜色跟踪材质（color material）允许用户程序通过改变当前颜色的方法，自动改变某一特定的材质属性。在许多情形下，这一操作比直接修改材质属性的效率要高，能加强光照场景和无光照场景的联系，并满足应用程序对材质的需要。
允许颜色跟踪材质的特性需要调用 setColorMode()方法。osg::Material 类为之定义了枚举量AMBIENT、DIFFUSE、SPECULAR、EMISSION、AMBIENT_AND_DIFFUSE 以及 OFF。默认情况下，颜色跟踪模式被设置为 OFF，颜色跟踪材质被禁止。如果用户程序设置颜色跟踪模式为其他的值，那么 OSG 将为特定的材质属性开启颜色跟踪材质特性，此时主颜色的改变将会改变相应的材质属性。
注意：根据颜色跟踪模式的取值不同，Material 类会自动允许或禁止GL_COLOR_MATERIAL。因此，用户程序不需要调用 setAttributeAndModes()来允许或禁止相关的模式值。
2.2 材质类示例
#include