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光线跟踪算法

光线跟踪算法. 主要内容： 一、实验设计 二、静止多光源实现 三、材料属性对光照效果的影响 四、移动光源的实现. 实验设计. 问题一、影响光照效果的因素？ 问题二、 OPENGL 光线跟踪函数的函数？ 问题三、光线跟踪实现的基本步骤？. 一、 OPENGL 中影响光照效果的因素？. 1 、光源 光的种类： 环境光： light_ambient 散射光： light_diffuse 镜面光： light_specular 光源的分类： 方向性光源：无限远，所有光线是平行的 位置性光源：位置决定场景中的效果 区别：

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光线跟踪算法

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Presentation Transcript

  1. 光线跟踪算法 • 主要内容： • 一、实验设计 • 二、静止多光源实现 • 三、材料属性对光照效果的影响 • 四、移动光源的实现

  2. 实验设计 • 问题一、影响光照效果的因素？ • 问题二、OPENGL光线跟踪函数的函数？ • 问题三、光线跟踪实现的基本步骤？

  3. 一、OPENGL中影响光照效果的因素？ • 1、光源 • 光的种类： • 环境光：light_ambient • 散射光：light_diffuse • 镜面光：light_specular • 光源的分类： • 方向性光源：无限远，所有光线是平行的 • 位置性光源：位置决定场景中的效果 • 区别： • GLfloat light_position[] 中的第四个参数

  4. 2、材料属性 • 材料的环境颜色：GL_AMBIENT • 材料的散射颜色：GL_DIFFUSE • 材料的镜面颜色：GL_SPECULAR • 材料的镜面指数：GL_SHININESS • 材料的发射颜色：GL_EMISSION

  5. 问题二、OPENGL光线跟踪函数的函数？ • 光源： • void glLight{if}(GLenum light, GLenum pname, TYPEparam); • void glLight{if}v(GLenum light, GLenum pname, TYPE *param); • Light：指定光源 pname：光源属性 param：属性值 • 材料属性： • void glMaterial{if}(GLenum face, GLenum pname, TYPEparam); • void glMaterial{if}v(GLenum face, GLenum pname, TYPE *param); • Face：那个面受光照pname：光源属性 param：属性值

  6. 问题三、光线跟踪实现的基本步骤？ • 一、创建光源 • 二、选择光照模型 • 三、定义材料属性 • 有了这些知识，我们就可以进行第一个简单的多光源实验。

  7. 静止多光源实现 • 自己的工作： • 按照光线跟踪实现的步骤进行。 • 设置光源参数，衰减因子，聚光灯参数，材料属性参数，调用glLightfv，glMaterialfv， glEnable等函数进行设置。 • 已有的： • 实现静态光源显示 • void reshape (int w, int h) • void display(void)

  8. 创建光源 • 1、设置光源参数 • 方向性光源，环境光颜色为蓝色 • GLfloat light_ambient[] = { 0.0, 0.0, 1.0, 1.0 }; • GLfloat light_diffuse[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; • GLfloat light_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; • GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 }; • 位置性光源，环境光和散射光颜色为红色 • GLfloat light1_ambient[] = { 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 }; • GLfloat light1_diffuse[] = { 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 }; • GLfloat light1_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; • GLfloat light1_position[] = { 0.0, 2.0, 2.0, 1.0 };

  9. 2、衰减因子 • 定义衰减因子目的：增强真实效果 • glLightf(GL_LIGHT0, GL_CONSTANT_ATTENUATION, 2.0); • glLightf(GL_LIGHT0, GL_LINEAR_ATTENUATION, 1.0); • glLightf(GL_LIGHT0, GL_QUADRATIC_ATTENUATION, 0.5); • glLightf(GL_LIGHT1, GL_CONSTANT_ATTENUATION, 1.5); • glLightf(GL_LIGHT1, GL_LINEAR_ATTENUATION, 0.5); • glLightf(GL_LIGHT1, GL_QUADRATIC_ATTENUATION, 0.2); • 三个参数的默认值为1，0，0

  10. 3，聚光灯参数 • 光源LIGHT1 • GLfloat spot_direction[] = { 1.0, -1.0, -1.0 }; • glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPOT_DIRECTION, spot_direction); • glLightf(GL_LIGHT1, GL_SPOT_CUTOFF, 45.0); • //默认值180 • glLightf(GL_LIGHT1, GL_SPOT_EXPONENT, 5.0); • //用于控制光的集中度，越高强度越集中

  11. 4，glLightfv的调用 • glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, light_ambient); • glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, light_diffuse); • glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, light_specular); • glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position); • glLightfv(GL_LIGHT1, GL_AMBIENT, light1_ambient); • glLightfv(GL_LIGHT1, GL_DIFFUSE, light1_diffuse); • glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPECULAR, light1_specular); • glLightfv(GL_LIGHT1, GL_POSITION, light1_position);

  12. 5，glEnable的调用 • 作用：启用光源 • glEnable(GL_LIGHTING); • glEnable(GL_LIGHT0); • glEnable(GL_LIGHT1);

  13. 6，光源保持静止 • void reshape (int w, int h) • { • glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h); • glMatrixMode (GL_PROJECTION); • glLoadIdentity(); • if (w <= h) glOrtho (-1.5, 1.5, 1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w, 1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w, -10.0, 10.0); • else glOrtho (-1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h,1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h, -1.5, 1.5, -10.0, 10.0); • glMatrixMode(GL_MODELVIEW); • glLoadIdentity(); • } • 首先确定视口和投影矩阵，接着在模型视图矩阵中加载单位矩阵，然后再设置光源。由于使用单位阵，乘模型视图矩阵之后原来制定的光源位置并没有发生变化。

  14. 选择光照模型 • 静态多光源实现过程中使用默认设置： • 即观察者位于无穷远且只有一面接受光照 • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess); • glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, GL_FALSE);

  15. 定义材料属性 • 材料属性值设置 • GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; • GLfloat mat_shininess[] = { 50.0 }; • glMaterialfv的调用 • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess);

  16. display()函数 • void display(void) • { • glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);//清空缓冲区 • glutSolidSphere (1.0, 20, 16);//画圆,半径为1.0 • glFlush ();//保证绘图命令被实际执行 • }

  17. 效果展示 • 屏蔽位置性光源 • 只有方向性光源

  18. 屏蔽方向性光源 • 只有位置性光源

  19. 静止多光源

  20. 材料属性对光照效果的影响 遇到的问题： 如何将不同的材料属性赋予不同的球体？

  21. 如何将不同的材料属性赋予不同的球体？ • 猜测可以通过调用glTranslatef()来实现 • 查阅发现： • glPushMatrix(); • glTranslatef (); • glMaterialfv(); • glutSolidSphere(); • glPopMatrix();

  22. 创建光源 • //环境光，散射光和镜面光参数 • GLfloat light_ambient[] = { 0.0, 0.0, 1.0, 1.0 }; • GLfloat light_diffuse[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; • GLfloat light_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; • GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 }; • //glLightfv的调用 • glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, light_ambient); • glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, light_diffuse); • glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, light_specular); • glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position); • //glEnable的调用 • glEnable(GL_DEPTH_TEST); • glEnable(GL_LIGHTING); • glEnable(GL_LIGHT0);

  23. 材料属性值设置 • GLfloat no_mat[] = { 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 }; • GLfloat mat_ambient[] = { 0.7, 0.7, 0.7, 1.0 }; • GLfloat mat_diffuse[] = { 0.1, 0.5, 0.8, 1.0 }; • GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; • GLfloat no_shininess[] = { 0.0 }; • GLfloat low_shininess[] = { 5.0 }; • GLfloat high_shininess[] = { 100.0 }; • GLfloat mat_emission[] = {0.3, 0.2, 0.2, 0.0};

  24. glMaterialfv的调用 第一个球：只有散射颜色和发射颜色 glPushMatrix(); • glTranslatef (-1.0, -0.5, -2.0); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, no_mat); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, no_mat); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, no_shininess); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_EMISSION, mat_emission); • glutSolidSphere(1.0, 16, 16);//绘制小球 • glPopMatrix();

  25. 第二个球： • 只有散射颜色和镜面颜色，且镜面指数低 • glPushMatrix(); • glTranslatef (0.0, -0.5, -3.0); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, no_mat); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, low_shininess); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_EMISSION, no_mat); • glutSolidSphere(1.0, 16, 16); • glPopMatrix();

  26. 第三个球： • 只有散射颜色和镜面颜色，且镜面指数为高 • glPushMatrix(); • glTranslatef (1.0, -0.5, -4.0); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, no_mat); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, high_shininess); • glMaterialfv(GL_FRONT, GL_EMISSION, no_mat); • glutSolidSphere(1.0, 16, 16); • glPopMatrix();

  27. 静态光源控制 • void reshape (int w, int h) • { • glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h); • glMatrixMode (GL_PROJECTION); • glLoadIdentity(); • if (w <= h) glOrtho (-1.5, 1.5,- 1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w,1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w, -10.0, 10.0); • else glOrtho (-1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h, • 1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h, -1.5, 1.5, -10.0, 10.0); • glMatrixMode(GL_MODELVIEW); • glLoadIdentity(); • }

  28. 效果展示 • 第一个小球 • 只有散射颜色和发射颜色 • 第二个小球 • 只有散射颜色和镜面颜色，且镜面指数低 • 第三个小球 • 只有散射颜色和镜面颜色，且镜面指数为高

  29. 动态光源实现 • 采用什么方式实现动态光源？ • 通过点击鼠标产生鼠标事件，进而移动光源

  30. 鼠标事件函数，目的通过点击鼠标控制旋转 • void mouse(int button, int state, int x, int y) • { • switch (button) • { • case GLUT_LEFT_BUTTON: • if (state == GLUT_DOWN) • { • spin = (spin + 30) % 360; • //全局变量spin的控制 • glutPostRedisplay(); • } • break; • default: break; • } • }

  31. void display3(void) //模型和视图变换 • { • GLfloat position[] = { 0.0, 0.0, 1.5, 1.0 }; • glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); • glPushMatrix (); • glTranslatef (0.0, 0.0, -5.0); • glPushMatrix (); • glRotated ((GLdouble) spin, 1.0, 0.0, 0.0); • //全局变量spin初值为0，通过鼠标事件改变它的值，进而进行旋转 • glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION, position); • glTranslated (0.0, 0.0, 1.5); • glDisable (GL_LIGHTING); • glColor3f (0.0, 1.0, 1.0); • glutWireCube (0.1); //绘制立方体函数，目的是为了更好的显示效果 • glEnable (GL_LIGHTING); • glPopMatrix (); • glutSolidSphere (1.0, 20, 16);//绘制圆 • glPopMatrix (); • glFlush (); • }

  32. void reshape3 (int w, int h)//投影和视口变换 • { • glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h); • //作用调整绘图像素矩阵，使它占据整个窗口 • glMatrixMode (GL_PROJECTION); • //表示吧当前矩阵指定用于投影变换，后续的变换调用影响的是投影矩阵 • glLoadIdentity();//对当前矩阵进行初始化 • gluPerspective(40.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 20.0); • /*void gluPerspective(GLdouble fovy, GLdouble aspect,GLdouble near, GLdouble far); • 创建一个表示对称透视视图凭借头体的矩阵，并把它与当前矩阵相乘 • fovy yz平面上视野的角度，它的值必须在[0.0,180.0]. • aspect是这个平截头体的纵横比，即宽度除高度 • near and far 观察点与近侧剪裁平面及远侧裁剪平面的距离，值为正数*/ • glMatrixMode(GL_MODELVIEW); • //以后变换影响的是模型视图矩阵 • glLoadIdentity();//对当前矩阵进行初始化 • }

  33. 效果展示 • 光源在上面时

  34. 光源在下侧时

  35. main()的实现 • int main(int argc, char** argv) • { • //初始化 • glutInit(&argc, argv); • glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH); • glutInitWindowSize (500, 500);//窗口大小 • glutInitWindowPosition (100, 100);//窗口位置 • glutCreateWindow (argv[0]);//创建窗口 • init (); • glutDisplayFunc(display); • glutReshapeFunc(reshape); • glutInit(&argc, argv); • glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH); • glutInitWindowSize (500, 500);

  36. glutInitWindowPosition (100, 100); • glutCreateWindow (argv[0]); • init2 (); • glutDisplayFunc(display2); • glutReshapeFunc(reshape); • glutInit(&argc, argv); • glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH); • glutInitWindowSize (500, 500); • glutInitWindowPosition (100, 100); • glutCreateWindow (argv[0]); • init3 (); • glutDisplayFunc(display3); • glutReshapeFunc(reshape3); • glutMouseFunc(mouse); • glutMainLoop(); • return 0; • }

  37. 体会： • OpenGL提供了一个很好图形应用程序接口，通过调用其中的函数库，我们可以达到事半功倍的效果！ • 只有通过实习才能够更深刻的了解到每个函数的具体作用，才能够更好的运用。 • 图形学实验做好了可以给你以美感，是一种享受。

  38. Thank you！

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