OpenGL 中的颜色、光照和材质

1. OpenGL 中的颜色、光照和材质

2. 简单光照 OpenGL简单光照光源分为： • 简单光照 OpenGL简单光照光源分为： • 辐射光(Emitted Light)是最简单的一种光，它直接从物体发出并且不受任何光源影响。 • 环境光(Ambient Light)是由光源发出经环境多次散射而无法确定其方向的光，即似乎来自所有方向。 • 漫射光(Diffuse Light)来自一个方向，它垂直于物体时比倾斜时更明亮。 • 镜面光(Specular Light)来自特定方向并沿另一方向反射出去。

3. 向场景中加入光照的步骤如下： 1. 定义所有物体每个顶点的法向量方向。这些法向量决定了物体表面与光源的相对取向。2. 建立、选择并放置一个或多个光源。3. 建立并选择一个光照模型，它决定了全局环境光照的程度以及视点的有效位置(用于光照计算)。4. 定义场景中物体的材质。

4. 向场景中加入光照的步骤(函数)： 1.为顶点指定法向量：glNormal3fv(n0);glVertex3fv(v0); 不指定就是默认模式。 2.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. 3.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. 4.启用光照：glEnable(GL_LIGHTING);glEnable(GL_LIGHT0); 5.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. 实例：二次曲面物体光照与材质

6. 步骤1：设置光照 基础知识 • 创建光源 光源有许多特性，如颜色、位置、方向等。 • 设置光源特性参数的函数： • void glLight{if}[v]( GLenum light , GLenum pname , TYPE param ) • 参数light指定所创建的光源号，如 GL_LIGHT0 ，GL_LIGHT1 ，GL_LIGHT2 ... ...参数pname指定光源特性参数param设置相应光源特性值

7. 步骤1：设置光照:glLightfv • glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,light_ambient); //设置场景的环境光。第一个参数表示是对第0号光源GL_LIGHT0进行设置，第二个参数表示要设置的是环境光成分，第三个参数则是一个数组(表示光照属性值) • glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,light_diffuse); //设置在场景照射到粗糙表面时经过漫反射光。第一个参数表示是对第0号光源GL_LIGHT0进行设置，第二个参数表示要设置的是漫反射光成分，第三个参数则是一个数组(表示光照属性值) • glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position); • //设置光源的位置，第三个参数则是一个数组(表示光源的位置值)

8. 定义光照属性值，分别用数组表示： • float lightAmbient[] = { 0.2f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };//定义一个数组，表示整个光照环境，有4个值，分别表示光源中含有红、绿、蓝三种光线的成分 ,第四个参数为透明度值，一般也为1。 • float lightDiffuse[] = { 0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };//定义数组，用来表示光源的漫反射. • float lightSpecular[] = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f };////定义数组，用来表示光源的镜面反射

9. 光源知识： • 每一个光源都可以设置其属性，这一动作是通过glLight*函数完成的。 • glLight*函数具有三个参数，第一个参数指明是设置哪一个光源的属性，第二个参数指明是设置该光源的哪一个属性，第三个参数则是指明把该属性值设置成多少。 • 光源的属性众多，下面将分别介绍光源的属性。

10. （1）GL_AMBIENT、GL_DIFFUSE、GL_SPECULAR属性。 • 这三个属性表示了光源所发出的光的反射特性（以及颜色）。 • 每个属性由四个值表示，分别代表了颜色的R, G, B, A值。 • GL_AMBIENT表示该光源所发出的光，经过非常多次的反射后，最终在整个光照环境中的强度（颜色）。GL_DIFFUSE表示该光源所发出的光，照射到粗糙表面时经过漫反射，所得到的光的强度（颜色）。GL_SPECULAR表示该光源所发出的光，照射到光滑表面时经过镜面反射，所得到的光的强度（颜色）。

11. （2）GL_POSITION属性。 • 表示光源所在的位置。由四个值（X, Y, Z, W）表示。 • 如果第四个值W为零，则表示该光源位于无限远处，前三个值表示了它所在的方向。这种光源称为方向性光源，通常，太阳可以近似的被认为是方向性光源。 • 如果第四个值W不为零，则X/W, Y/W, Z/W表示了光源的位置。这种光源称为位置性光源。

12. 光源说明1： • 对于位置性光源，设置其位置与设置多边形顶点的方式相似，各种矩阵变换函数例如：glTranslate*、glRotate*等在这里也同样有效。方向性光源在计算时比位置性光源快了不少，因此，在视觉效果允许的情况下，应该尽可能的使用方向性光源。

13. 光源说明2： • 在OpenGL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，即GL_LIGHT0到GL_LIGHT7。

15. 注：只有 GL_LIGHT0 的 GL_DIFFUSE 和 GL_SPECULAR 的缺省值为 ( 1.0 ,1.0 ,1.0 ,1.0 ) • 其他光源的 GL_DIFFUSE 和 GL_SPECULAR 缺省值均为 ( 0.0 ,0.0 ,0.0 ,1.0 )

16. 步骤2：设置光照模型：函数glLightModel* • 函数glLightModel*有两个参数，第一个表示要设置的属性，第二个参数表示该属性要设置成的值(本例中用数组表示)。 • glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT,Imodel_ambient); • glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE,Imodel_twoside);

17. 补充：光照模型包括四个部分的内容 • 全局环境光线（即那些充分散射，无法分清究竟来自哪个光源的光线）的强度; • 观察点位置是在较近位置还是在无限远处; • 物体正面与背面是否分别计算光照; • 镜面颜色（即GL_SPECULAR属性所指定的颜色)的计算是否从其它光照计算中分离出来，并在纹理操作以后在进行应用。

18. 光照模型的属性如下： • GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT表示全局环境光线强度，由四个值组成。属性GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT指定OpenGL场景中的背景光，如果不指定，系统使用低强度的白色（0.2，0.2，0.2，1.0）光。 • GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER表示是否在近处观看，若是则设置为GL_TRUE，否则（即在无限远处观看）设置为GL_FALSE。 • GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE表示是否执行双面光照计算。如果设置为GL_TRUE，则OpenGL不仅将根据法线向量计算正面的光照，也会将法线向量反转并计算背面的光照。 • GL_LIGHT_MODEL_COLOR_CONTROL表示颜色计算方式。如果设置为GL_SINGLE_COLOR，表示按通常顺序操作，先计算光照，再计算纹理。如果设置为GL_SEPARATE_SPECULAR_COLOR，表示将GL_SPECULAR属性分离出来，先计算光照的其它部分，待纹理操作完成后再计算GL_SPECULAR。后者通常可以使画面效果更为逼真.

19. 步骤3：启动光源函数： glEnable • 使用glEnable函数可以开启这些光源。 如:glEnable(GL_LIGHT0);可以开启第0号光源。 • 使用glDisable函数则可以关闭光源。 • 注意：一些OpenGL实现可能支持更多数量的光源，但总的来说，开启过多的光源将会导致程序运行速度的严重下降，

20. 启动光源: • glEnable( GL_LIGHTING ); // 启用光照glEnable( GL_LIGHT0 ); // 启用指定光源

21. 步骤四：设置材质属性函数:glMaterialfv • 用glMaterialfv(GLenum face, GLenum pname, Type* param)函数设置. • /*设置前面材质*/ • glMaterialfv(GL_FRONT,GL_DIFFUSE,front_mat_diffuse); • glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SPECULAR,front_mat_specular); • glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SHININESS,front_mat_shininess); • /*设置后面材质*/ • glMaterialfv(GL_BACK,GL_DIFFUSE,back_mat_diffuse); • glMaterialfv(GL_BACK,GL_SPECULAR,back_mat_specular); • glMaterialfv(GL_BACK,GL_SHININESS,back_mat_shininess);

22. 材质知识点补充： • 材质与光源相似，也需要设置众多的属性。不同的是，光源是通过glLight*函数来设置的，而材质则是通过glMaterial*函数来设置的。

23. 材质函数： • glMaterial*函数有三个参数。 • 第一个参数表示指定哪一面的属性。可以是GL_FRONT、GL_BACK或者GL_FRONT_AND_BACK。分别表示设置“正面”“背面”的材质，或者两面同时设置 • 第二、第三个参数与glLight*函数的第二、三个参数作用类似，表示属性和属性值。 • 下面分别说明glMaterial*函数可以指定的材质属性。

24. （1）GL_AMBIENT、GL_DIFFUSE、GL_SPECULAR属性。 • 这三个属性与光源的三个对应属性类似，每一属性都由四个值组成。 • 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（颜色）。 • 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（颜色）。 • 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（颜色）。通常，GL_AMBIENT和GL_DIFFUSE都取相同的值，可以达到比较真实的效果。 • 使用GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE可以同时设置GL_AMBIENT和GL_DIFFUSE属性。

25. （2）GL_SHININESS属性。 • 该属性只有一个值，称为“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。

26. （3）GL_EMISSION属性。 • 该属性由四个值组成，表示一种颜色。OpenGL认为该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。

27. （4）GL_COLOR_INDEXES属性。 • 该属性仅在颜色索引模式下使用，由于颜色索引模式下的光照比RGBA模式要复杂，并且使用范围较小，这里不做讨论。

28. 一、OpenGL颜色

29. 二、OpenGL光照

32. 三、材质

33. 四、纹理映射

34. 实例：三个不同材质球体

35. 函数： glShadeModel • glShadeModel函数用于控制opengl中绘制指定两点间其他点颜色的过渡模式。 • 参数一般为GL_SMOOTH（默认）,GL_FLAT。OpenGL默认是将制定的两点颜色进行插值，绘制之间的其他点。 • 如果两点的颜色相同，使用两个参数效果相同。如果两点颜色不同，GL_SMOOTH会出现过渡效果，GL_FLAT 则只是以指定的某一点的单一色绘制其他所有点。

36. glDepthFunc函数 • glDepthFunc()来设置深度测试函数 void glDepthFunc(GLenum func) 　　比较常用的深度测试函数有 GL_LESS 和 GL_LEQUAL 两者的区别在于当深度相同时是显示新的象素 还是老的象素。

37. 注意： • glDepthFunc函数在每次绘制的时候都需要调用下

38. 函数：glMatrixMode • glMatrixMode函数指定哪一个矩阵是当前矩阵void glMatrixMode(GLenum mode) • 参数mode 指定哪一个矩阵堆栈是下一个矩阵操作的目标,可选值: GL_MODELVIEW、GL_PROJECTION、GL_TEXTURE. • 说明glMatrixMode设置当前矩阵模式:GL_MODELVIEW,对模型视景矩阵堆栈应用随后的矩阵操作. GL_PROJECTION,对投影矩阵应用随后的矩阵操作. GL_TEXTURE,对纹理矩阵堆栈应用随后的矩阵操作. • glMatrixMode 　与glLoadIdentity()一同使用glLoadIdentity():该函数的功能是重置当前指定的矩阵为单位矩阵。　　在glLoadIdentity()之后我们为场景设置了透视图。glMatrixMode(GL_MODELVIEW)设置当前矩阵为模型视图矩阵，模弄视图矩阵储存了有关物体的信。

39. 函数glColorMaterial  表示使用材质色跟踪当前颜色，指定了要改变的材质的属性，然后调用glColor*()去设置这些属性的值。glColor里的参数就是设置的值 • 函数： • void glColorMaterial(GLenum face,GLenum mode) • 参数的取值： face的取值: GL_FRONT 、GL_BACK 、GL_FRONT_AND_BACK mode的取值: GL_AMBIENT、 GL_DIFFUSE GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE、 GL_SPECULAR GL_EMISSION

40. 问题： • glColorMaterial需要在glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);以后才可以用glColor设置材质，这时候的材质就是glColor*的值，如果没有Enable，那么就不能控制颜色的过渡值，颜色由最初给定的值来确定。

41. 如果去掉这两句： // glColorMaterial(GL_FRONT,GL_AMBIENT); //glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);效果如下：三只小球一样的颜色。这种颜色是由这几句语句决定的：glMaterialfv(GL_FRONT,GL_DIFFUSE,material_diffuse); glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SPECULAR,material_specular); glMaterialfv(GL_FRONT,GL_SHININESS,high_shininess); glMaterialfv(GL_FRONT,GL_EMISSION,no_mat);

42. 注意： • 注释了// glColorMaterial(GL_FRONT,GL_AMBIENT); //glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);语句后，无论怎么改变下面的值，都不能改变小球的颜色。 • GLfloat no_mat[]={0.0,0.0,0.0,1.0}; • GLfloat mat_grey_ambient[]={0.5,0.5,0.5,1.0}; • GLfloat mat_red_ambient[]={0.0,0.0,1.0,1.0};

43. 可以通过以下修改定义颜色的语句来观察小球的颜色变化：可以通过以下修改定义颜色的语句来观察小球的颜色变化： • GLfloat light_position[]={0.0,3.0,6.0,0.0};//定义一行四列的数组 • GLfloat material_diffuse[]={0.8,0.2,0.5,1.0};//其实是控制环境光的颜色（除了高光外） • GLfloat material_specular[]={1.0,1.0,1.0,1.0};//其实是控制高光点的颜色： 如改变这个数组的值： GLfloat material_diffuse[]={0.0,0.0,0.5,1.0}; //其实是控制环境光的颜色（除了高光外）

44. 实例：

45. 本例总结： • 当需要改变场景中大部分方面的单个材质时，最好调用glColorMaterial() 。 • 当修改不只一个材质参数，最好调用glMaterial*()。

46. 总结1：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.

47. 总结2： • 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.

48. 总结3：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).

49. gluLookAt()函数:定义了视点矩阵 • void gluLookAt(GLdouble eyex,GLdouble eyey,GLdouble eyez,GLdouble centerx,GLdouble centery,GLdouble centerz,GLdouble upx,GLdouble upy,GLdouble upz); • gluLookAt()共有九个参数，分别是眼睛的位置，眼睛朝向的位置，以及相片朝上的方向。 • 这个函数是对模型矩阵进行变换（GL_MODELVIEW），而gluPerspective函数是对投影矩阵进行变换（GL_PROJECTION）。 可以用gluPerspective函数设置近平面、远平面