实验7 OpenGL光照
一．实验目的：
了解掌握OpenGL程序的光照与材质，能正确使用光源与材质函数设置所需的绘制效果。
二．实验内容：
（1）下载并运行Nate Robin教学程序包中的lightmaterial程序，试验不同的光照与材质系数；
（2）运行示范代码1，了解光照与材质函数使用；
（3）在示范代码2的基础上，为其增加光照与材质效果，如下图所示。
（a）原图 （b）增加光照后的效果
三．实验原理：
为在场景中增加光照，需要执行以下步骤：
（1） 设置一个或多个光源，设定它的有关属性；
（2） 选择一种光照模型；
（3） 设置物体的材料属性。
具体如下：
1.设置光源
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。
（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。
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。
a) 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：
intAmbientLight[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。
b)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)。
c)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。
（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。
2.光照模型
OpenGL的光照模型是用来模拟现实生活中的光照的。
3.材质设定
（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。
（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
_______________________________________________
（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。
四．示范代码：
（1）茶壶光照
#include <GL/glut.h>
#include <stdlib.h>
// Initialize material property, light source, lighting model, * and depth buffer.
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 };
GLfloat white_light[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
GLfloat Light_Model_Ambient[] = { 0.2 , 0.2 , 0.2 , 1.0 }; //
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_POSITION, light_position);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, white_light);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, white_light);
glLightModelfv( GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT , Light_Model_Ambient ); //
glEnable(GL_LIGHTING);
glEnable(GL_LIGHT0);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
}
void display(void)
{
glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
//glutSolidSphere (1.0, 20, 16);
glutSolidTeapot(0.5);
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();
}
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);
glutMainLoop();
return 0;
}
（2）太阳系：
#include <GL/glut.h>
#include <stdlib.h>
static int year = 0, day = 0, moon = 0;
void init(void)
{
glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
glShadeModel (GL_FLAT);
}
void display(void)
{
glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glColor3f (1.0, 1.0, 1.0);
glPushMatrix();
glColor3f(1.0, 0.0, 0.0);
glutSolidSphere(1.0, 20, 16); /* draw sun */
glRotatef ((GLfloat) year, 0.0, 1.0, 0.0);
glTranslatef (2.0, 0.0, 0.0);
glRotatef ((GLfloat) day, 0.0, 1.0, 0.0);
glColor3f(0.0, 0.0, 1.0);
glutSolidSphere(0.3, 10, 8); /* draw earth */
glTranslatef (1.0, 0.0, 0.0);
glRotatef ((GLfloat) moon, 0.0, 1.0, 0.0);
glColor3f(1.0, 1.0, 1.0);
glutSolidSphere(0.2, 10, 8); /* draw moon */
glPopMatrix();
glutSwapBuffers();
}
void reshape (int w, int h)
{
glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h);
glMatrixMode (GL_PROJECTION);
glLoadIdentity ();
gluPerspective(60.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 20.0);
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
gluLookAt (0.0, 5.0, 5.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);
}
void keyboard (unsigned char key, int x, int y)
{
switch (key) {
case 'd':
day = (day + 10) % 360;
moon = (moon + 5) % 360;
glutPostRedisplay();
break;
case 'D':
day = (day - 10) % 360;
glutPostRedisplay();
break;
case 'y':
year = (year + 5) % 360;
day = (day + 10) % 360;
moon = (moon + 5) % 360;
glutPostRedisplay();
break;
case 'Y':
year = (year - 5) % 360;
glutPostRedisplay();
break;
case 'm':
moon = (moon + 5) % 360;
glutPostRedisplay();
break;
case 27:
exit(0);
break;
default:
break;
}
}
int main(int argc, char** argv)
{
glutInit(&argc, argv);
glutInitDisplayMode (GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB);
glutInitWindowSize (800, 600);
glutInitWindowPosition (100, 100);
glutCreateWindow (argv[0]);
init ();
glutDisplayFunc(display);
glutReshapeFunc(reshape);
glutKeyboardFunc(keyboard);
glutMainLoop();
return 0;
}