Lighting：https://www.evl.uic.edu/julian/cs488/2005-11-03/index.html
光照
OpenGL中的光照（Linghting）是很重要的，為什么重要？請看下圖
上圖中左圖是有光照的效果，右圖是沒有光照的效果。
有光照的好處：
-
給人更多關於曲率和深度的視覺感受
-
給人更明顯的3D效果
隱藏面清除
在照明和着色中，深度信息和法向量變得非常重要。
舊的painter算法是這樣的：
while (1) {
get_viewing_point_from_mouse_position();
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
draw_3d_object_A();
draw_3d_object_B();
}
這樣的話，一個對象可能會遮擋另一個對象
隱藏面清除通過使用Z-buffer（深度緩存）來實現
請看如下的代碼示例：
glutInitDisplayMode ( GLUT_DEPTH | ... );
glEnable ( GL_DEPTH_TEST );
...
while(1) {
glClear( GLCOLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT );
get_viewing_point_from_mouse_position();
draw_3d_object_A();
draw_3d_object_B();
}
光照組成
-
環境光（Ambient）
光從各個方向均勻地到達。事實上，光散射太大，我們無法確定它的方向
-
散射光（Diffuse）
來自點光源的光線將被漫射反射（即在遠離表面的所有方向上均勻地重新選擇）
-
鏡面光（Specular）
從點光源發出的光線將被鏡面反射（即以鏡面形式反射，如從光亮的表面反射）。
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放射光（Emissive）
在沒有入射光的情況下，表面的發射率控制着表面發出的光的數量。從一個表面發出的光不能作為照亮其他表面的光源；相反，它只影響觀察者看到的顏色。
多個燈光組件結果
光照和材料的RGB
RGB values for light and material have different meanings
For light: light colors(intensities)
(R, G, B) = (1, 1, 0) -> yellow light
For material: reflected proportions
(R, G, B) = (1, 0.5, 0) -> the material reflects all the incoming red light, half the incoming green light, and nonn of the incoming blue light.
( LR*MR, LG*MG, LB*MB )
Multiple light source: Light1 + Light2
( R1+R2, G1+G2, B1+B2 )
If the result is greater than 1.0, clamp to 1.0
光照例子
為所有對象的每個頂點定義法向量。這些法線確定對象相對於光源的方向。（在我們的示例中，法線定義為glutsolidSphere（）的一部分）
-
Needs unit normal vector
-
void glEnable(GL_NORMALIZE)
-
void glEnable(GL_RESCALE_NORMAL)
Create, select, and position one or more light sources.
可以創建最多8中不同的光源(GL_LIGHT0 to GL_LIGHT7)，但是光源多了會導致更多的計算復雜性。
創建並選擇照明模型（Light Mode），該模型定義全局環境光的級別和視點的有效位置（用於照明計算）。
為場景中的對象定義材質屬性。
#include <gl/glut.h>
#pragma comment(linker, "/subsystem:windows /ENTRY:mainCRTStartup")
/* Initialize material property, light source, lighting model,
* and depth buffer.
*/
void init(void)
{
GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
GLfloat mat_shininess[] = { 50.0 };
GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };
GLfloat light[] = { 1.0, 0.2, 0.2 };
GLfloat lmodel_ambient[] = { 0.1, 0.1, 0.1, 1.0 };
glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
glShadeModel (GL_SMOOTH);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);
glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, light );
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, light );
glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, lmodel_ambient);
glEnable(GL_LIGHTING);
glEnable(GL_LIGHT0);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
}
void display(void)
{
glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glutSolidSphere (1.0, 20, 16);
glFlush ();
}
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();
}
int main(int argc, char** argv)
{
glutInit(&argc, argv);
glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);
glutInitWindowSize (500, 500);
glutInitWindowPosition (100, 100);
glutCreateWindow (argv[0]);
init ();
glutDisplayFunc(display);
glutReshapeFunc(reshape);
glutMainLoop();
return 0;
}
光照API
void glLight{if}(GLenum light, GLenum pname, TYPE param);
void glLight{if}v(GLenum light, GLenum pname, TYPE *param);
Creates the light specified by light, which can be GL_LIGHT0, GL_LIGHT1, ... , or GL_LIGHT7. The characteristic of the light being set is defined by pname, which specifies a named parameter (see Table below). param indicates the values to which the pname characteristic is set; it's a pointer to a group of values if the vector version is used, or the value itself if the nonvector version is used. The nonvector version can be used to set only single-valued light characteristics.
衰減（定義光衰減的強度）
對於現實世界中的燈光，燈光強度隨着與燈光的距離的增加而降低。由於定向光無限遠，因此在距離上衰減其強度是沒有意義的，因此對定向光禁用衰減。但是，您可能希望減弱來自位置光的光。OpenGL通過將光源的貢獻乘以衰減因子來衰減光源：
d = distance between the light's position and the vertex
kc = GL_CONSTANT_ATTENUATION
kl = GL_LINEAR_ATTENUATION
kq = GL_QUADRATIC_ATTENUATION
By default, kc = 1.0, kl = kq = 0.0.
可以為這些參數指定不同的值：
glLightf(GL_LIGHT0, GL_CONSTANT_ATTENUATION, 2.0); glLightf(GL_LIGHT0, GL_LINEAR_ATTENUATION, 1.0); glLightf(GL_LIGHT0, GL_QUADRATIC_ATTENUATION, 0.5);
聚光燈（默認gl_spot_cutoff=180）
glLightf(GL_LIGHT0, GL_SPOT_CUTOFF, 45.0);
GLfloat spot_direction[] = { -1.0, -1.0, 0.0 };
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spot_direction);
可以設置多個光源
GLfloat light1_ambient[] = { 0.2, 0.2, 0.2, 1.0 }; GLfloat light1_diffuse[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; GLfloat light1_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; GLfloat light1_position[] = { -2.0, 2.0, 1.0, 1.0 }; GLfloat spot_direction[] = { -1.0, -1.0, 0.0 };
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); glLightf(GL_LIGHT1, GL_CONSTANT_ATTENUATION, 1.5); glLightf(GL_LIGHT1, GL_LINEAR_ATTENUATION, 0.5); glLightf(GL_LIGHT1, GL_QUADRATIC_ATTENUATION, 0.2);
glLightf(GL_LIGHT1, GL_SPOT_CUTOFF, 45.0); glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPOT_DIRECTION, spot_direction); glLightf(GL_LIGHT1, GL_SPOT_EXPONENT, 2.0);
glEnable(GL_LIGHT1);
光源位置（Position）
-
定向光——光源無限遠（W=0）
GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position); 位置的第四個分量是0.0，表示光是定向光。默認情況下，GL_POSITION是（0，0，1，0），它定義了方向光。（x，y，z）是它的方向。-
位置光——有限距離光源（W不是0）
GLfloat light_position[] = { 5.0, 10.0, 2.0, 1.0 };
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);
位置由模型視圖矩陣轉換並存儲在眼睛坐標系中（即相對於眼睛）。
請注意，默認情況下（即不調用gluLookat（）），相機（眼睛）位於原點，指向負Z軸。
默認情況下，位置光源向所有方向輻射。
移動光源
-
固定光源
glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h);
glMatrixMode (GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
if (w <= h)
glOrtho (-1.5, 1.5, -1.5*h/w, 1.5*h/w, -10.0, 10.0);
else
glOrtho (-1.5*w/h, 1.5*w/h, -1.5, 1.5, -10.0, 10.0);
glMatrixMode (GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
/* later in init() */
GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, position);
-
光源的獨立移動
旋轉或平移燈光位置：燈光相對於靜止物體移動。
static GLdouble spin;
void display(void)
{
GLfloat light_position[] = { 0.0, 0.0, 1.5, 1.0 };
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glPushMatrix();
gluLookAt (0.0, 0.0, 5.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);
glPushMatrix();
glRotated(spin, 1.0, 0.0, 0.0);
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);
glPopMatrix();
glutSolidTorus (0.275, 0.85, 8, 15);
glPopMatrix();
glFlush();
}
通過模型變換（Model）來移動光源例子：
#include <GL/glut.h>
#pragma comment(linker, "/subsystem:windows /ENTRY:mainCRTStartup")
static int spin = 0;
void init(void)
{
glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
glShadeModel (GL_SMOOTH);
glEnable(GL_LIGHTING);
glEnable(GL_LIGHT0);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
}
/* Here is where the light position is reset after the modeling
* transformation (glRotated) is called. This places the
* light at a new position in world coordinates. The cube
* represents the position of the light.
*/
void display(void)
{
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);
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); // 模擬光源
glEnable (GL_LIGHTING);
glPopMatrix ();
glutSolidTorus (0.275, 0.85, 8, 15);
glPopMatrix ();
glFlush ();
}
void reshape (int w, int h)
{
glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h);
glMatrixMode (GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
gluPerspective(40.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 20.0);
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
}
void mouse(int button, int state, int x, int y)
{
switch (button) {
case GLUT_LEFT_BUTTON:
if (state == GLUT_DOWN) {
spin = (spin + 30) % 360;
glutPostRedisplay();
}
break;
default:
break;
}
}
int main(int argc, char** argv)
{
glutInit(&argc, argv);
glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);
glutInitWindowSize (500, 500);
glutInitWindowPosition (100, 100);
glutCreateWindow (argv[0]);
init ();
glutDisplayFunc(display);
glutReshapeFunc(reshape);
glutMouseFunc(mouse);
glutMainLoop();
return 0;
}
光源隨視點移動
要創建隨視點移動的燈光，需要在查看轉換之前設置燈光位置。
然后觀察變換以同樣的方式影響光和視點。
記住燈光位置存儲在眼睛坐標中。
光源隨視點移動
GLfloat light_position[] = { 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 };
glViewport(0, 0, (GLint) w, (GLint) h);
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
gluPerspective(40.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 100.0);
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);
如果現在移動視點，燈光將隨之移動，相對於眼睛保持（0,0,0）距離。
//viewpoint參數，可改變
static GLdouble ex, ey, ez, upx, upy, upz;
void display(void)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_MASK | GL_DEPTH_BUFFER_MASK);
glPushMatrix();
gluLookAt (ex, ey, ez, 0.0, 0.0, 0.0, upx, upy, upz);
glutSolidTorus (0.275, 0.85, 8, 15);
glPopMatrix();
glFlush();
}