OpenGL 光照常识

OpenGL 光照常识
1. 几个概念

环境光——经过多次反射而来的光称为环境光，无法确定其最初的方向，但当特定的光源关闭后，它们将消失.
全局环境光——它们并非来自特定的光源，这些光经过了多次散射，已经无法确定其光源位于何处.
散射光——来自同一方向，照射到物体表面后，将沿各个方向均匀反射，因此，无论从哪个方向观察，表面的亮度都相同.
镜面反射光——来自特定方向，也被反射到特定方向.镜面反射度与之相关.
材质发射光——用于模拟发光物体.在OpenGL光照模型中，表面的发射光增加了物体的亮度，它不受光源的影响，另外，发射光不会给整个场景中增加光线.
2. 一些常识

OpenGL在模拟光源时，假定将发射出的光分解为R,G,B三个分量，这样，对于每个光源，可以使用其发射的红光，绿光和蓝光的量来描述；而对于表面的材质，可以使用其在各个方向反射的红光，绿光和蓝光的比例来描述.
光源只对吸收或者反射光线的表面产生影响，每个面都由具有各种属性的材质组成，材质本身可能发射光(如汽车前灯)，沿所有方向散射入射光(一般情况)或者沿特定方向反射入射光(如镜面和其它光滑表面).
材质的环境色，散射色和镜面反射色，它们决定了材质对环境光，散射光和镜面反射光的反射率.将材质的环境光反射率与每个光源的环境光分量相乘；将散射光反射率与散射光分量相乘；将镜面反射光反射率与镜面反射光相乘.材质对环境光和散射光的反射率决定了其颜色，而这两种反射率往往是相等的，材质的镜面反射色通常是白色或灰色(即(1.0,1.0,1.0))，因此镜面反射点的颜色一般为光源中镜面反射光的颜色.
OpenGL光照模型将光照分为四个独立的部分：环境光，散射光，镜面反射光和发射光，这四种光被分别计算，然后叠加起来.
光线的R,G,B值表示各分量的强度，材质的R,G,B值表示材质对相应分量的反射比例.
定向光源不存在三种光线的衰减，但是定位光源存在衰减.
被照射的物体不会向其它物体发出光线.
3. 向场景中添加光线的步骤

为物体的每个顶点定义法线向量，这些法向量决定了物体相对于光源的朝向.
创建和选择一个或多个光源，并设置光源的位置.
创建和选择光照模型，它定义了全局环境光的等级和观察点的实际位置(用于光照计算).
启用光照.
设置场景中物体的材质属性.
4. 相应的OpenGL函数

为顶点指定法向量：glNormal3fv(n0);glVertex3fv(v0);
创建光源，指定位置：
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position);
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,light_ambient);注意，GL_POSITION的默认值为(0,0,1,0),它定义了一个指向Z轴负方向的定向光源.

选择光照模型：其包括四项内容，即全局环境光强度，观察点靠近场景还是位于无穷远处，对物体的正面和背面是否采用相同的光照计算，以及是否将镜面反射颜色同环境颜色和散射颜色分开，并在纹理操作后应用它.函数有
glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT,lmodel_ambient); glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER,lmodel_viewer)……，其中近视点还是远视点只影响镜面反射区的计算.
启用光照：glEnable(GL_LIGHTING);glEnable(GL_LIGHT0);
设置材质属性：
用glMaterialfv(GLenum face, GLenum pname, Type* param)函数设置GL_AMBIENT, GL_DIFFUSE, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE, GL_SPECULAR, GL_SHINNESS, GL_EMISSION等值.
5. OpenGL光照中的默认值

光源的环境光默认为(0.0,0.0,0.0,1.0)，即没有环境光.
光源的散射光默认为(1.0,1.0,1.0,1.0)，即存在白色散射光.
光源的环境反射光默认值有两种情况，一种对应于光源GL_LIGNT0，其GL_SPECULAR为(1.0,1.0,1.0,1.0)，即白色光；另一种对应于其它光源，其默认值为(0.0,0.0,0.0,0.0).一般情况下，光源的GL_SPECULAR应该和GL_DIFFUSE值相同.
默认情况下，定位光源向所有方向发射光，但可以将其设置为聚光灯，使之在锥体内发光.
光照模型中，全局环境光默认为(0.2,0.2,0.2,1.0)，即存在微弱的白光；视点位置默认为0.0或者GL_FALSE,即无穷远处；默认采用单面光照，即GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE为0.0或GL_FALSE(在对物体存在切割时，要启用双面光照)；默认情况下，镜面反射颜色在纹理映射之前完成，即GL_LIGHT_MODEL_COLOR_CONTROL的值为GL_SINGLE_COLOR.
材质属性的默认值：GL_AMBIENT (0.2,0.2,0.2,1.0); GL_DIFFUSE (0.8,0.8,0.8,1.0); GL_SPECULAR (0.0,0.0,0.0,1.0); GL_SHINNESS 0.0; GL_EMISSION (0.0,0.0,0.0,1.0).
6. 计算

顶点被照射时的颜色：顶点颜色=顶点的发射光颜色  +
                          全局环境光与材质的环境光属性 +
                          各光源中衰减后的环境光，散射光和镜面反射光
  执行光照计算后，颜色值(RGBA模式)被截取到[0.0,1.0].
顶点的发射光颜色即glMaterialfv()中的GL_EMISSION值.
反射的全局环境光 = glLightModelfv()指定的GL_AMBIENT * glMaterialfv()指定的GL_AMBIENT值.
光源的贡献 = 衰减因子 * 聚光效果 * （环境光　＋　散射光　＋　镜面反射光）;其中，环境光　＝　glLightfv()指定的GL_AMBIENT * glMaterialfv()指定的GL_AMBIENT;
散射光的计算需要考虑光线的照射角度，光源散射分量和材质的散射属性：
散射光　＝　
 （max{L  dotproduct n,0} * light_diffuse * material_diffuse）,L为顶点到光源的 单位矢量，n为顶点的单位法线向量.
镜面反射光项也取决于光线的照射角度.若(L dotproduct n)<=0；顶点将没有镜面反射光项，否 则镜面反射光取决于下列因素：
 1) 顶点的单位法向量n.
 2) 从顶点指向光源的单位矢量和从顶点指向视点的单位向量的和，此处假设光照模型中采用近视点， 否则第二个被加的单位向量为(0,0,1);然后将相加得到的向量归一化，记为s.
 3) 镜面反射指数(glLightfv()指定的GL_SHINNESS).
 4) 光源的镜面反射光分量(glLightfv()指定的GL_SPECULAR,一般和其GL_DIFFUSE相同).
 5) 材质的镜面反射属性(glMaterialfv()指定的GL_SPECULAR).
 计算公式：(max{s dotproduct n,0})^shinness * light_specular * material_specular.