拓幻圖形學工程師教學手冊(第三講)|一字一字敲出OpenGL學習教程

02-13

上一講已經介紹了的OpenGL紋理部分的內容，今天這講關於OpenGL光照(Lighting)示例代碼也都在公司github共有倉了，不知道各位是不是試著跑過，沒跑過也不要緊，繼續往下聽吧，最後總要實踐的，講再多不如自己上手一試。我記得Dr. Lee當初還做了蠻多不錯的示例代碼，比如旋轉的五彩菊花，回頭我讓他貢獻一下他的五彩菊花，放到我們的Github上給大家參考。後期Dr. Lee也將推出一些他自己的教程，這可是來自美國克萊姆森大學的教程，大家不要錯過，關注我們微信公眾號，一起來學習吧。

5. 光照(Lighting)

5.1 基本概念

跑過「太陽系」工程的同學一定發現，除了上一講的紋理映射實現將太陽及其行星表面紋理進行實現外，還有一個重點就是光。太陽系中唯一的光源就是太陽，其他行星只是進行光反射等，並且太陽光光源是向四面八方照射的，這個系統我們可以用OpenGL光照來進行模擬。

先來看兩張不同的圖，一張有光照一張沒有，看看區別就知道光照在渲染方面其實還是很重要的。

接下來就是具體的光照內容了。

5.2 表面向量(Surface Normal)

先引入一個概念叫表面法線(Surface Normal)，也就是表面上某一點的法向量（Normal Vector），是在該點處與表面垂直的方向。對於平面，其上各點的法向是一樣的，統一為這個平面的法向。

以上是計算表面法線向量的方法，不多說。

這是對於平面而言，那麼更多時候繪製的不是平面而是曲面，該怎麼計算表面法線。

頂點法線（Vertex Normal）是過頂點的一個矢量，在生成曲面時，通常令頂點法線和相鄰平面的法線保持等角，這樣進行渲染時，會在平面接縫處產生一種平滑過渡的效果。

這樣就產生兩種計算表面法線的方法：Per-face和Per-vertex：

在OpenGL中使用方法如下：

Per-face：

Per-vertex：

所產生的效果，per-face會對於曲面會產生粗糙分割面的感覺，我們稱之為「Flat Shading」，per-vertex則會產生平滑感，稱之為「Smooth Shading」。

再介紹一個函數glShadeModel函數。用於控制opengl中繪製指定兩點間其他點顏色的過渡模式。參數一般為GL_SMOOTH（默認）,GL_FLAT。OpenGL默認是將制定的兩點顏色進行插值，繪製之間的其他點，如果兩點的顏色相同，使用兩個參數效果相同，如果兩點顏色不同，GL_SMOOTH會出現過渡效果，GL_FLAT 則只是以指定的某一點的單一色繪製其他所有點。看下效果：

GL_FLAT:

GL_SMOOTH:

來看看具體調用和結合Per-face/Per-vertex的效果：

注意這裡介紹一下，glEnable( GL_NORMALIZE )，在進行光照計算之前自動單位化法向量。之所以需要自動單位化法向量是因為法向量會受到glScalef的影響，當glScalef將物體的坐標放大k倍時，法向量變為1/k。具體調用如下：

5.3 OpenGL內置光照模型

OpenGL光照分為三種，Ambient(環境光）,Diffuse(漫射光）和Specular（鏡面反射光）。

Ambient 不依賴於光源的方向。光線在物體表面上向各個方向上均勻泛射，場景中的物體都會泛射光，這些泛射光又會照射到其他物體上繼續被泛射，直到光子能量耗盡為止，這樣整個場景中散布著這樣的泛射光。可通過設置一個顏色常量來表示環境光。Ambient = a constant。

Diffuse 只依賴於光源的方向和法線的方向。因此為只和表面與光線入射夾角有關的光線。我們之所以能看到物體，就是因為物體將入射的光然後向各個方向反射（所以稱之為漫反射）。物體的漫反射材質屬性對物體的顏色起著決定性作用。Diffuse = I*cosΘ，Θ為入射角角度，也就是光來的方向和法線的夾角。

Specular依賴於光源的方向，法線的方向和視角的方向。不但和表面與光線入射夾角有關，而且還和觀察角度有關的光線，並且根據表面光滑程度，呈現不同亮度，越光滑，越容易產生高光區域。在 OpenGL 中，鏡面光的強度可通過光滑度（shininess）來調節。

Specular = I*cossφ ，其中指數s就是光滑度。1/s就是粗糙度(Roughness)。

看一下效果圖：