Android OpenGL ES学习笔记之材质概念和添加光照

一、光照概念

观察一个真实的3D物体，在不同的部位必然有不同的光照效果,有的地方暗一点，有的地方亮一点。而这种视觉差异是由光源和材质（物体的材料）共同决定的。光源强度由红、绿、蓝三色光强度共同决定，最终的光照效果由4部分组成:

 - Emitted(光源） - diffuse(漫反射光） - specular（镜面反射光） - ambient(环境光） 

这里附上一张网上的图:

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Emitted(光源）

物体本身所发射出的光，有的物体不发射光，那就没有这个属性

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diffuse(漫反射光）

漫反射和镜面反射大家应该都知道，初中物理有讲过。 
漫反射，是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为“漫反射”或“漫射”。

如下图：

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specular（镜面反射光）

镜面反射是指若反射面比较光滑，当平行入射的光线射到这个反射面时，仍会平行地向一个方向反射出来，这种反射就属于镜面反射

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ambient(环境光）

在环境中进行了多次散射的光，而最终无法分辨其方向的光。

二、材质概念

物体的材质属性通过反射不同方向的环境光，漫反射光，镜面光的RGB颜色来表示的。分为四种:

 - 泛射材质 - 漫反射材质 - 镜面反射材质 - 发射材质

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三、光照模型

添加光照效果也就是使用OpenGL的光照模型需要以下步骤

1. 打开光源
2. 设置光源的种类、位置和方向(对于平行光源)
3. 设置顶点的法向量
4. 设置材质

1、打开光源

首先需要打开光源的总开关

    //打开光源总开关    gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);
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在OpenGL ES中，仅仅支持有限数量的光源。使用GL_LIGHT0表示第0号光源，GL_LIGHT1表示第1号光源，依次类推，OpenGL至少会支持8个光源 。GL_LIGHT0到GL_LIGHT7。

打开0号光源

    //打开0号光源    gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);
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2、设置光源的种类、位置和方向(对于平行光源)

设置光源的方法如下

 - glLightfv(int light, int pname, FloatBuffer params) - glLightfv(int light, int pname, float[] params, int offset)

各个参数含义如下

 - light—————— 光源的序号 - pname—————— 光源属性名称  - params—————— 光源属性的值(float 数组或是Buffer类型) - offset——————  偏移量

params有以下几种

 - GL_SPOT_EXPONENT————表示聚光的程度，为零时表示光照范围内向各方向发射的光线强度相同，为正数时表示光照向中央集中，正对发射方向的位置受到更多光照，其它位置受到较少光照。数值越大，聚光效果就越明显 - GL_SPOT_CUTOFF————表示一个角度，它是光源发射光线所覆盖角度的一半，其取值范围在0到90之间，也可以取180这个特殊值。取值为180时表示光源发射光线覆盖360度，即不使用聚光灯，向全周围发射 - GL_CONSTANT_ATTENUATION————表示光线按常量衰减 - GL_LINEAR_ATTENUATION————表示光线按距离线性衰减 - GL_QUADRATIC_ATTENUATION————表示光线按距离以二次函数衰减 - GL_AMBIENT————表示各种光线照射到该材质上，经过很多次反射后最终遗留在环境中的光线强度  - GL_DIFFUSE————表示光线照射到该材质上，经过漫反射后形成的光线强度  - GL_SPECULAR————表示光线照射到该材质上，经过镜面反射后形成的光线强度  - GL_SPOT_DIRECTION————表示一个向量，即光源发射的方向。默认方向是(0.0,0.0,-1.0) - GL_POSITION————表示光源所在的位置，由四个值（X, Y, Z, W）表示,W为0表示平行光源，表示该光源位于无限远处,类似太阳,W不为0表示位置性光源,（X/W, Y/W, Z/W）表示了光源的位置，可以设置各种衰减因子

上面说的与聚光强度、角度、衰减等有关的属性只适用于位置光源

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3、设置顶点的法向量

设置法向量来确定图元的明暗程度,不过我的例子并没有用到。有两个方法可以为平面设置法线。

 - public void glNormal3f(float nx,float ny,float nz) ————为后续所有平面设置同样的方向，直到重新设置新的法线为止 - public void glNormalPointer(int type,int stride, Buffer pointer)————为某个顶点设置法线

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4、设置材质

设置材质的方法如下

 - public void glMaterialf(int face,int pname,float param) - public void glMaterialfv(int face,int pname,float[] params,int offset) - public void glMaterialfv(int face,int pname,FloatBuffer params)

各参数含义如下:

 - face ———— 表示物体的前、后面,有GL_FRONT(正面)，GL_BACK(反面)，GL_FRONT_AND_BACK(正反两面) - pname ———— 材质属性类型 - param ———— 材质属性类型的对应的值(float 数组或者Buffer 类型) - offset ———— 偏移量

其中pname 有以下几种

 - GL_AMBIENT————表示各种光线照射到该材质上，经过很多次反射后最终遗留在环境中的光线强度 - GL_DIFFUSE ————表示光线照射到该材质上，经过漫反射后形成的光线强度 - GL_SPECULAR————表示光线照射到该材质上，经过镜面反射后形成的光线强度 - GL_SHININESS————“镜面指数”，取值范围是0到128。该值越小，表示材质越粗糙，点光源发射的光线照射到上面，也可以产生较大的亮点。该值越大，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  - GL_EMISSION————该属性由四个值组成，表示一种颜色。OpenGL认为材质本身就微微的向外发射光线，以至于眼睛感觉到它有这样的颜色，但这光线又比较微弱，以至于不会影响到其它物体的颜色  - GL_COLOR_INDEXES———— 颜色索引 

四、例子

以上一篇文章Android OpenGL ES学习笔记之绘制一个正方体的代码为基础,添加光照效果。

首先是新建关于光源属性的浮点数组

        //环境光强度        float[] amb_light = {1f, 1f, 1f, 1f };          //漫反射光强度        float[] diff_light = { 1f, 1f, 1f, 1f };        //镜面反射光强度        float[] spec_light = {1f, 1f, 1f, 1f };           //光源位置        float[] pos_light = {0f, 0.0f, 1f, 0.4f};        //光源方向        float[] spot_dir = { 0.0f, 0.0f,  -1f, };
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我设置了白色光,光源位置为{0f, 0.0f, 1f, 0.4f},参数w=0.4f,前面说了w不为0表示位置性光源,光源的位置为（X/W, Y/W, Z/W）,即(0f,0f,2.5f)

设置光源方向为{ 0.0f, 0.0f, -1f, },沿着Z轴负方向

然后将它们转化为Buff类型

            //获取浮点型环境光数据            amb_light_buffer= Utils.getFloatBuffer(amb_light);            //获取浮点型漫反射光数据            diff_light_buffer= Utils.getFloatBuffer(diff_light);            //获取浮点型镜面反射光数据            spec_light_buffer= Utils.getFloatBuffer(spec_light);            //获取浮点型光源位置数据            pos_light_buffer= Utils.getFloatBuffer(pos_light);            //获取浮点型光源方向数据            spot_dir_buffer= Utils.getFloatBuffer(spot_dir);
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然后在onDrawFrame加上

            //打开光源总开关            gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);            //打开0号光源            gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);             //设置光源位置            gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_POSITION, pos_light_buffer);           //设置光源方向            gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_SPOT_DIRECTION , spot_dir_buffer);            //设置光源种类            gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_AMBIENT ,  amb_light_buffer );            gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_DIFFUSE , diff_light_buffer );            gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_SPECULAR, spec_light_buffer);            //设置聚光强度            gl.glLightf(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_SPOT_EXPONENT, 64f);            //设置聚光角度            gl.glLightf(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_SPOT_CUTOFF, 45f);
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先打开光源总开关，再打开0号光源，然后设置光源位置，方向，各种类强度，聚光强度，聚光角度。 
聚光强度取值范围为0~128f。

绘制出的效果如下：

可以加上材质

我设置了反射绿光的强度为0.3f,红、蓝为0f。

        //环境光材质        float amb_mat[]  = { 0f,  0.3f, 0f, 1f };        //漫反射光材质        float diff_mat[]  ={ 0f,  0.3f, 0f, 1f };        //镜面反射光材质        float spec_mat[] = { 0f,  0.3f, 0f, 1f };               //本身颜色        float emi_mat[] = { 0.0f, 0f, 0.0f, 1.0f };        //镜面指数         float shini_mat  =  0f; 
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然后转化为Buffer

            //获取浮点型环境光材质数据            amb_mat_buffer= Utils.getFloatBuffer(amb_mat);            //获取浮点型漫反射光材质数据            diff_mat_buffer= Utils.getFloatBuffer(diff_mat);            //获取浮点型镜面反射光材质数据            spec_mat_buffer= Utils.getFloatBuffer(spec_mat);            //获取浮点型本身颜色数据            emi_mat_buffer= Utils.getFloatBuffer(emi_mat);
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然后设置材质各种类强度、镜面指数。

         //设置材质种类             gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_AMBIENT, amb_mat_buffer);            gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK,GL10.GL_DIFFUSE, diff_mat_buffer);            gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK,GL10.GL_SPECULAR, spec_mat_buffer);            //设置镜面指数            gl.glMaterialf(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_SHININESS, shini_mat);  
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效果如下图:

最后附上Demo:打开 
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