OpenGL编程指南第五章:光照

1、隐藏面移除

opengl在渲染的时候，需要绘出离视点近的物体，移除被遮挡的远处的物体。2D绘图里面一般通过控制绘制的顺序是来达到目的。3D场景要复杂得多，可能存在相互部分遮挡的情况，改变视角也会改变遮挡的情况，opengl通过Depth Buffer来达到消除隐藏部分的目的。

Depth Buffer存储每个像素的深度值（一般为片段离近剪切面的距离）。初始时或glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT)，depth buffer被初始化成最大值（一般为远剪切面的深度）；在fragment操作视，会对比其深度值和buffer中对应位置的深度值，如果小于，才继续操作并替换该深度值，否则直接丢弃。要激活这个功能，调用glEnable(GL_DEPTH_TEST)。

2、关照系统

在真实世界中，物体表面所呈现的颜色，取决于其反射的光线颜色；光源（或多个光源）照射到物体表面的光线，有些被物体吸收，有些被反射；有些物体表面比较光滑，会把入射光线往特定的方向反射，某些则往各个方向散射，大部分物体基于两者之间。OpenGL通过把光分解为RGB三个分量来模拟光照系统：光源的颜色取决于其RBG三个分量的强度，物体表面的材质定义为其往各个方向所反射的RBG三个分量的百分比。

OpenGL中，光来自于相互独立的若干光源。物体所受的光或者来自某个特定的方向或位置，或者均匀分布于环境当中。比如房间内有一盏灯，那么房间内物体所受的大部分光来自于这盏灯；但是还有一些光经过了多次的反射已经无法分别其方向了，但是这些光还是来自这盏灯的，如果这个光源关闭，这些光会消失。还有，环境本身有一些光，这些光无法确定其来源和方向。

环境光（ambient）,漫射光(diffuse),反射光(specular),放射光(emisive)
物体所受的光可以分成以上四个部分，这个四个部分会被单独计算然后再结合在一起。
环境光：均匀散布于环境当中，无法区分方向；环境光与物体面相接触会往各个方向均匀反射；
漫射光：来自某个方向，如果直射的话会显得更加明亮，与物体面接触后会往各个方向均匀放射；PS：可以看出，这种光对物体的作用与入射角度是相关的，但与观察角度无关。
反射光：来自某个方向，往某个方向反射，起高光作用；
放射光：物体本省释放的光，影响物体自身，不与光源相互作用，也不会给环境增加光。

材料颜色(Material Color)

材料颜色实际上是材料对光的反射比，同样分成ambient，diffuse，specular三种，每种又按RGB分别取值。ambient值与光照ambient值相结合，同样diffuse值于光照diffuse值相结合，specular值与光照specular值相结合。材料的ambient和diffuse一般来说是一样的，这两个分量的反射（漫射）决定了物体的颜色；而specular值一般就是白色或灰色，也即反射后的颜色即为光照的颜色，用于产生高光效果。打个比方，一个红球在白色光照下，主要是呈红色，高光处程白色。

颜色计算

光的颜色RGB和一般颜色RGB值意义相同，而材料的颜色RGB值代表了对光的反射比，前者可用(LR,LG,LB)表示，而后者可用（MR，MG，MB）表示，那么物体反射的颜色就是(LR*MR,LG*MG,LB*MB)。如果有两个光源，分别给物体产生(R1,G1,B1)和（R2，G2，B2）两种颜色，那么最终物体的颜色是(R1+R2,G1+G2,B1+B2),如果某个值大于1.0，那么被限制为1.0。

法线

表面法线定义了表面和光源的相方向，会影响到光照的效果；这里要求法线是规范化的，你需要调用glEnable（GL_NORMALIZE)和glEnable(GL_RESCALE_NORMAL)来开启法线自动规范化。


3、创建光源

首先要glEnable(GL_LIGHTING)激活光照系统；再glEnable(GL_LIGHTi)激活第i个光源。然后就是定义光源的属性，通过glLight*(GLenum light, GLenum pname, TYPE param)和glLight*v(GLenum light, GLenum pname, const TYPE *param)两个API来设定属性值：light是光源身份也即GL_LIGHT0，GL_LIGHT1...,pname是属性名；param是属性值。
属性列表及其默认值请参考原书，值得注意的是GL_DIFFUSE和GL_SPECULAR两个属性的默认值对GL_LIGHT0和其他光源不一样。

Color

给可以给光源的GL_AMBIENT,GL_DIFFUSE,GL_SPECULAR三个分量设定颜色值，比如：
GLfloat light_ambient[] = { 0.0, 0.0, 1.0, 1.0};
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, light_ambient);


位置和方向

从位置的角度讲，有两种光源，一种是directional光源，它位于无穷远处，所有光线的方向是一致的，也不会衰减，比如“太阳光”。另一种是positional光源，它处于场景中，它的具体位置会影响光照效果。
给光源设定位置的API如下：
GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);
position的第四个分量如果是0，那么光源就是directional的，postion值实际是一个向量；否则这个光源就是postional，position就是他的位置。光源的位置和方向都会受ModelView Matrix的影响。

衰减

物体离光源越远，光的强度会衰减，对于directional光源来说衰减是没有意义的，所以衰减是针对positional光源来说的。衰减就是用光源的强度乘以一个衰减因子，衰减因子的公式如下：

d = 顶点和光源的距离
Kc = GL_CONSTANT_ATTENUATION
Kl = GL_LINEAR_ATTENUATION
Kq = GL_QUADRATIC_ATTENUATION
Kc的默认值是1.0，Kl和Kq的默认值是0，可以通过API设定：
glLightf(GL_LIGHT0, GL_CONSTANT_ATTENUATION, 2.0);
glLightf(GL_LIGHT0, GL_LINEAR_ATTENUATION, 1.0);
glLightf(GL_LIGHT0, GL_QUADRATIC_ATTENUATION, 0.5);


聚光
可以给positional光源添加聚光效果，聚光就是指定光源照射的方向和范围(一个椎体）：
GLfloat spot_direction[] = { -1.0, -1.0, 0.0 };
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spot_direction);
上面指定了光源照射的方向，也即椎体的轴线方向；
glLightf(GL_LIGHT0, GL_SPOT_CUTOFF, 45.0);
上面制定了椎体边界和周线之间的夹角，如果角度为180的话，相当于没有聚光效果。

还可以给聚光增加中轴到边缘的衰减效果，通过GL_SPOT_EXPONENT属性。


控制光源位置和方向
OpenGL对待光源位置和方向与对待顶点位置和法线是一样的，都会被ModelView Matrix转换成眼坐标系坐标，这一节讲述如何控制光源位置以满足几种常见的要求：
1）固定光源位置：把光源放到某个固定位置，不受其他操作的影响；再设定好视点之后，立即指定光源位置。
2）独立地移动光源：一般在display中设定光源位置，只要使用glPushMatrix和glPopMatrix不难做到。
3）随视点移动光源：在指定视点之前，指定光源位置，此后动态调整视点时，光源相对位置不变。注：指定视点之前指定的位置，从世界坐标系转换到眼坐标系时不会发生变化，因此其相对视点的位置也就没有变化。

设置光照模式

设置光照模式的API是glLightModel{if}(GLenum pname, TYPE param)或void glLightModel{if}v(GLenum pname, const TYPE *param)，pname是属性名字。

全局环境光(global ambient)：与光源无关的环境光，名字是GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT

本地或无限远的视点(local or Infinit viewport)：在计算高光效果时，顶点的高光强度取决于三个方向：光源和顶点的相对方向、法线方向、视点和顶点的相对方向；不同的顶点和视点的相对方向是不一样的，使用无限远的视点就是忽略这种不一致，使用一个固定值，以提升效率。这里的设置并不会真的改变视点位置，只是针对光照而已。Opengl默认是使用Infinit Viewport的，改变使用glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, GL_TRUE)。

背面光照：Opengl默认只会对多边形的front-face做关照处理，某些情况下可能需要对back-face做关照，比如一个球体被剪切一部分，此时需要使用下面的API：glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE, GL_TRUE);

延迟高光处理：OpenGL流水线中，光照处理发生在纹理处理之后，这样高光效果就会被极大弱化。为了是高光效果明显一些，就要延迟一下高光处理，开启方法：glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_COLOR_CONTROL,GL_SEPARATE_SPECULAR_COLOR)，
这样在做光照处理时，先合成ambient，diffuse，emissve分量至顶点颜色，这个颜色角primary color，specular分量产生的颜色角secondary color，暂存起来；等到texture完成后，再将specular值secondary加至顶点颜色。关闭该功能：glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_COLOR_CONTROL, GL_SINGLE_COLOR)。

4、定义材料属性

定义材料属性使用API：
void glMaterial{if}(GLenum face, GLenum pname, TYPE param);
void glMaterial{if}v(GLenum face, GLenum pname, const TYPE *param);
face指物体正面或背面有，pname是属性名，可能的值有：GL_AMBIENT，GL_DIFFUSE，GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE，GL_SPECULAR，GL_EMISSION，GL_SHININESS（高光度）。
Diffuse和Ambient很大程度上决定了物体的最终颜色；
Sepcular效果与视点的位置有极大关系，如果视角方向与反射的方向一致，则高光效果最明显；
Shiniess用来控制高光的区域和明亮度，值范围是[0.0,128.0]，值越大，则高光区域越小，颜色越亮；
emission会使物体有一种发光的效果，但并不能起到光源的作用。


5、光照数学计算

第一行：物体自身释放的光颜色；
第二行：全局环境光对物体产生的颜色；
第三行：衰减和聚光效果，衰减前面已经讲过，聚光效果的值分一下几种情况：1）放射角度为180，此时没有聚光效果，值为1；2）顶点在聚光椎体之外，值为0；3）为max(v*d,0)对GL_SPOT_EXPONENT求冥，v是从光源位置到顶点的单位向量，d是聚光源的中轴方向；
第四行：光源i的环境光效果
第五行：光源i散射光产生的效果，L是从顶点到光源的单位向量，n是顶点法线向量；
第六行：光源i产生的高光效果，S是（从顶点到光源的单位向量+从顶点到视点的单位向量）结果的规范化，n是顶点法线向量，从“顶点到视点的单位向量”这一项如果GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER没有打开的话取值为(0,0,1)。

如果启用GL_LIGHT_SECONDARY_COLOR的话，只需要把specular部分提取出来作为secondary Color，剩下的是primary Color。