OpenGL超级宝典笔记——镜面光与法线平均
光照效果
仅仅使用环境光和漫反射光的光照效果，喷气式飞机表面的颜色看起来比较平淡。在渲染木材，泥土，布料，纸箱上等这些表面粗糙的物体上，使用环境光和漫反射光的光照效果就基本足够了。但是在为光滑的金属物体建模时，为了使其显得更加逼真，仅仅使用环境光和漫反射光是不够的，还需要镜面光的效果。
镜面亮点
镜面光照和材料属性可以为物体表面添加光泽和亮斑的效果。当入射光与观察者的角度较小时,可以看到镜面加亮的效果。镜面亮点就是几乎所有的光照射在物体表面上并被反射开来。添加镜面光的成分:
GLfloat ambientLight = {0.3f, 0.3f, 0.3f, 1.0f};
Glfloat diffuseLight = {0.7f, 0.7f, 0.7f, 1.0f};
//specular light
GLfloat specular[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};
....
//Enable Lighting
glEnable(GL_LIGHTING);
//set up and enable light0glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambientLight);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, diffuseLight);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular);
glEnable(GL_LIGHT0);
specular[]为镜面光成分指定了一个非常亮的白光。模拟太阳当空照的效果
。下面的语句就是指定镜面光的成分。
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular);
仅仅添加镜面光的效果，我们不会再喷气式飞机上看到什么变换。我们还需要为其指定材料的镜面光反射属性。
镜面发射
给材料添加镜面反射属性的代码段如下：
GLfloat specref[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};....//Enable color trackingglEnable(GL_COLOR_MATERIAL);//set material properties to followglColorglColorMaterial(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE);//使后面的材料具有完全的镜面反射效果以及强光泽glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, specref);glMateriali(GL_FRONT, GL_SHININESS, 128);
代码在设置镜面反射属性之前，为材料的环境光和漫反射光属性开启颜色追踪。材料的镜面光反射属性我们另外单独指定了一个固定不变的值。指定材料的镜面光反射属性为(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f)代表着完全发射入射的镜面光。在glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, specref)；之后的多边形将采用此材料属性。
在没有重新调用glMaterial之前，所有的材料都将具有此属性。
镜面指数
在上面的例子中在强烈的镜面光照射和材料镜面反射（完全发射）的效果下导致飞机显示为纯白，只有远离光源的表面除外（未受到光照，显示黑色）。
glMateriali(GL_FRONT, GL_SHININESS, 128);
GL_SHININESS属性设置材料的镜面指数，指定了镜面加亮的大小和集中性。如果指定为0，即没有聚焦，即整个多边形均匀加亮。通过设置这个值可以缩小镜面加亮的范围，增加镜面加亮的集中度，制造亮点的效果。这个值越小，表示材质越粗糙，点光源发射的光线照射到上面，产生较大的亮点。这个值越大，表示材质越类似于镜面，光源照射到上面后，产生较小的亮点。这个参数值的范围为1-128。
设置为128的效果如下：
设置为0时效果如下：（被照射到的多边形整个都加亮了，没被照射到的显示黑色）
设置环境的代码如下：
void SetupRC(){// Light values and coordinatesGLfloat ambientLight[] = { 0.3f, 0.3f, 0.3f, 1.0f };GLfloat diffuseLight[] = { 0.7f, 0.7f, 0.7f, 1.0f };GLfloat specular[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};glEnable(GL_DEPTH_TEST);// Hidden surface removalglFrontFace(GL_CCW);// Counter clock-wise polygons face outglEnable(GL_CULL_FACE);// Enable lightingglEnable(GL_LIGHTING);// Setup and enable light 0glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,ambientLight);glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,diffuseLight);glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular);glEnable(GL_LIGHT0);GLfloat specref[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};// Enable color trackingglEnable(GL_COLOR_MATERIAL);// Set Material properties to follow glColor valuesglColorMaterial(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE);glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, specref);glMateriali(GL_FRONT, GL_SHININESS, 128);// Light blue backgroundglClearColor(0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f );glEnable(GL_NORMALIZE);}
法线平均
由四边形和三角形组成的球体，如果为其的每一个表面都单独指定了法线，那这个球体看起来就是充满棱角。如果我们为每个顶点指定“真实的”法线，那么OpenGL光照计算的所产生的值将会平滑地分布在多边形表面上。这些平面的多边形经过着色之后就像平滑的表面一样。
在理论上，如果我们使用足够多的多边形来绘制球体，那球体表面就会显得平滑，这些多边形就近似于真实的表面。就像使用足够多的小短线来模拟平滑的曲线一样。如果把每个顶点都当成真实的表面上的顶点的话，那么这个表面的实际法线值就代表着真实表面的法线。在球体中，法线从球体的中心指向各个顶点。
下图图5.30中的，每一个平面片段都有法线垂直指向它的表面。就像在喷气式飞机中的例子一样。在图5.31中法线并不正交于多边形的平面，而是正交于真实球体的表面，或者球体表面的切线。
在球体中，计算真实法线较为简单，球体中心和多边形顶点的连线即是。但在一些复杂的物体中，就没那么简单了。需要取得共享一个顶点的多边形的法线，对其进行平均，来获得更加真实的效果。
综合例子
设置光源位置
//光源位置 GLfloat lightPos[] = {0.0f, 0.0f, 70.0f, 1.0f};
..
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPos);
lightPos数组的前三个值x,y,z指定了光源的位置或者方向。如果最后一个值为1.0，说明光源的真实位置就位于lightPos上，是位置性光源，光线从光源发散开来。如果最后一个值为0.0则代表光在无限远处，光源是方向性光源，所有光线是平行的。
创建聚光灯
GLfloat ambientLight[] = {0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f};GLfloat specular[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};GLfloat specref[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};//光源位置GLfloat lightPos[] = {0.0f, 0.0f, 70.0f, 1.0f};//聚光灯光照方向朝z轴负方向GLfloat spotDir[] = {0.0f, 0.0f, -1.0f};void SetupRC(){glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);//开启深度测试glEnable(GL_DEPTH_TEST);//剔除掉不必要的背面glFrontFace(GL_CCW);glEnable(GL_CULL_FACE);glCullFace(GL_BACK);//开启光照glEnable(GL_LIGHTING);//设置light0光照参数glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE, ambientLight);glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular);//设置光源位置和方向glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPos);glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spotDir);glLightf(GL_LIGHT0, GL_SPOT_CUTOFF, 80.0f);//设置全局环境光glLightModelfv(GL_AMBIENT, ambientLight);//开启light0glEnable(GL_LIGHT0);//开启和设置颜色追踪glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);//设置多边形正面的材料的环境光和漫反射光属性为颜色追踪glColorMaterial(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE);//设置镜面光的反射属性glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, specref);glMateriali(GL_FRONT, GL_SHININESS, 128);}
glLightf(GL_LIGHT0, GL_SPOT_CUTOFF, 80.0f);设置聚光灯的半夹角，使得聚光灯发射出一个光锥。在此光锥之外的物体不会被照射到。
在这个例子中，我们使用一个黄色的小灯泡的方式来模拟光源的位置，通过方向键可以调整其位置。并通过右键菜单来调整，物体的着色模式，和球体的近似程度（由多少多边形组成球体）。
GL_FLAT着色模式
GL_SMOOTH着色模式
完整代码示例：
#include "gltools.h" GLfloat ambientLight[] = {0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f}; GLfloat specular[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f}; GLfloat specref[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f}; //光源位置 GLfloat lightPos[] = {0.0f, 0.0f, 70.0f, 1.0f}; //聚光灯光照方向朝z轴负方向 GLfloat spotDir[] = {0.0f, 0.0f, -1.0f}; //用于旋转 static GLfloat xRot = 0.0f; static GLfloat yRot = 0.0f; #define FLAT_MODE 1 #define SMOOTH_MODE 2 #define LOW_LEVEL 3 #define MEDIUM_LEVEL 4 #define HIGH_LEVEL 5 int iShade = FLAT_MODE; int iLevel = LOW_LEVEL; void SetupRC() { glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f); //开启深度测试 glEnable(GL_DEPTH_TEST); //剔除掉不必要的背面 glFrontFace(GL_CCW); glEnable(GL_CULL_FACE); glCullFace(GL_BACK); //开启光照 glEnable(GL_LIGHTING); //设置light0光照参数 glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE, ambientLight); glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, specular); //设置光源位置和方向 glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPos); glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spotDir); glLightf(GL_LIGHT0, GL_SPOT_CUTOFF, 80.0f); //设置全局环境光 glLightModelfv(GL_AMBIENT, ambientLight); //开启light0 glEnable(GL_LIGHT0); //开启和设置颜色追踪 glEnable(GL_COLOR_MATERIAL); //设置多边形正面的材料的环境光和漫反射光属性为颜色追踪 glColorMaterial(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE); //设置镜面光的反射属性 glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, specref); glMateriali(GL_FRONT, GL_SHININESS, 128); glEnable(GL_NORMALIZE); } void RenderScene() { if (iShade == FLAT_MODE) { glShadeModel(GL_FLAT); } else { glShadeModel(GL_SMOOTH); } glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); //矩阵压栈 glPushMatrix(); glRotatef(xRot, 1.0f, 0.0f, 0.0f); glRotatef(yRot, 0.0f, 1.0f, 0.0f); //旋转后重新设置光源位置 glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPos); glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spotDir); glTranslatef(lightPos[0], lightPos[1], lightPos[2]); glColor3ub(255, 0, 0); glutSolidCone(4.0, 6.0, 15, 15); glPushAttrib(GL_LIGHTING_BIT); //关闭光照画小黄球 glDisable(GL_LIGHTING); glColor3ub(255, 255, 0); glutSolidSphere(3.0, 15, 15); glPopAttrib(); //矩阵出栈 glPopMatrix(); glColor3ub(0, 0, 255); if (iLevel == LOW_LEVEL) { glutSolidSphere(30.0f, 8, 8); } else if (iLevel == MEDIUM_LEVEL) { glutSolidSphere(30.0f, 10, 10); } else { glutSolidSphere(30.0f, 15, 15); } glutSwapBuffers(); } void ChangeSize(int w, int h) { if (h == 0) { h = 1; } //设置视口 glViewport(0, 0, w, h); GLfloat faspect = (GLfloat)w/(GLfloat)h; //透视投影变换 glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); gluPerspective(35.0, faspect, 1.0, 350.0); //模型视图矩阵 glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity(); //先往显示器里平移 glTranslatef(0.0f, 0.0f, -250.0f); glutPostRedisplay(); } void SpecialKeys(int keys, int x, int y) { //改变旋转角度 if (keys == GLUT_KEY_UP) { xRot -= 5.0f; } if (keys == GLUT_KEY_DOWN) { xRot += 5.0f; } if (keys == GLUT_KEY_LEFT) { yRot += 5.0f; } if (keys == GLUT_KEY_RIGHT) { yRot -= 5.0f; } if (xRot > 356.0f) { xRot = 0.0f; } else if (xRot < -1.0f) { xRot = 355.0f; } if (yRot > 356.0f) { yRot = 0.0f; } else if (yRot < -1.0f) { yRot = 355.0f; } glutPostRedisplay(); } void ProcessMenu(int key) { switch(key) { case 1: iShade = FLAT_MODE; break; case 2: iShade = SMOOTH_MODE; break; case 3: iLevel = LOW_LEVEL; break; case 4: iLevel = MEDIUM_LEVEL; break; case 5: iLevel = HIGH_LEVEL; break; default: break; } glutPostRedisplay(); } int main(int args, char *arv[]) { glutInit(&args, arv); glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH); glutInitWindowSize(800, 600); glutCreateWindow("spot light"); glutDisplayFunc(RenderScene); glutReshapeFunc(ChangeSize); glutSpecialFunc(SpecialKeys); //创建菜单 int menuID = glutCreateMenu(ProcessMenu); glutAddMenuEntry("Flag Mode", 1); glutAddMenuEntry("SMOOTH Mode", 2); glutAddMenuEntry("Low Level", 3); glutAddMenuEntry("Midum Level", 4); glutAddMenuEntry("High Level", 5); glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON); SetupRC(); glutMainLoop(); return 0; }