OpenGL編程指南第五章:光照

1、隱藏面移除

opengl在渲染的時候，需要繪出離視點近的物體，移除被遮擋的遠處的物體。2D繪圖裡面一般通過控制繪製的順序是來達到目的。3D情境要複雜得多，可能存在相互部分遮擋的情況，改變視角也會改變遮擋的情況，opengl通過Depth Buffer來達到消除隱藏部分的目的。

Depth Buffer儲存每個像素的深度值（一般為片段離近剪下面的距離）。初始時或glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT)，depth buffer被初始化成最大值（一般為遠剪下面的深度）；在fragment操作視，會對比其深度值和buffer中對應位置的深度值，如果小於，才繼續操作並替換該深度值，否則直接丟棄。要啟用這個功能，調用glEnable(GL_DEPTH_TEST)。

2、關照系統

在真實世界中，物體表面所呈現的顏色，取決於其反射的光線顏色；光源（或多個光源）照射到物體表面的光線，有些被物體吸收，有些被反射；有些物體表面比較光滑，會把入射光線往特定的方向反射，某些則往各個方向散射，大部分物體基於兩者之間。OpenGL通過把光分解為RGB三個分量來類比光照系統：光源的顏色取決於其RBG三個分量的強度，物體表面的材質定義為其往各個方向所反射的RBG三個分量的百分比。

OpenGL中，光來自於相互獨立的若干光源。物體所受的光或者來自某個特定的方向或位置，或者均勻分佈於環境當中。比如房間內有一盞燈，那麼房間內物體所受的大部分光來自於這盞燈；但是還有一些光經過了多次的反射已經無法分別其方向了，但是這些光還是來自這盞燈的，如果這個光源關閉，這些光會消失。還有，環境本身有一些光，這些光無法確定其來源和方向。

環境光線（ambient）,漫射光(diffuse),反射光(specular),放射光(emisive)
物體所受的光可以分成以上四個部分，這個四個部分會被單獨計算然後再結合在一起。
環境光線：均勻散佈於環境當中，無法區分方向；環境光線與物體面相接觸會往各個方向均勻反射；
漫射光：來自某個方向，如果直射的話會顯得更加明亮，與物體面接觸後會往各個方向均勻放射；PS：可以看出，這種光對物體的
作用與入射角度是相關的，但與觀察角度無關。
反射光：來自某個方向，往某個方向反射，起高光作用；
放射光：物體本省釋放的光，影響物體自身，不與光源相互作用，也不會給環境增加光。

材料顏色(Material Color)

材料顏色實際上是材料對光的反射比，同樣分成ambient，diffuse，specular三種，每種又按RGB分別取值。ambient值與光照ambient值相結合，同樣diffuse值於光照diffuse值相結合，specular值與光照specular值相結合。材料的ambient和diffuse一般來說是一樣的，這兩個分量的反射（漫射）決定了物體的顏色；而specular值一般就是白色或灰色，也即反射後的顏色即為光照的顏色，用於產生高光效果。打個比方，一個紅球在白色光照下，主要是呈紅色，高光處程白色。

顏色計算

光的顏色RGB和一般顏色RGB值意義相同，而材料的顏色RGB值代表了對光的反射比，前者可用(LR,LG,LB)表示，而後者可用（MR，MG，MB）表示，那麼物體反射的顏色就是(LR*MR,LG*MG,LB*MB)。如果有兩個光源，分別給物體產生(R1,G1,B1)和（R2，G2，B2）兩種顏色，那麼最終物體的顏色是(R1+R2,G1+G2,B1+B2),如果某個值大於1.0，那麼被限制為1.0。

法線

表面法線定義了表面和光源的相方向，會影響到光照的效果；這裡要求法線是正常化的，你需要調用glEnable（GL_NORMALIZE)和glEnable(GL_RESCALE_NORMAL)來開啟法線自動正常化。

3、建立光源

首先要glEnable(GL_LIGHTING)啟用光照系統；再glEnable(GL_LIGHTi)啟用第i個光源。然後就是定義光源的屬性，通過glLight*(GLenum light, GLenum pname, TYPE param)和glLight*v(GLenum light, GLenum
pname, const TYPE *param)兩個API來設定屬性值：light是光源身份也即GL_LIGHT0，GL_LIGHT1...,pname是屬性名稱；param是屬性值。
屬性列表及其預設值請參考原書，值得注意的是GL_DIFFUSE和GL_SPECULAR兩個屬性的預設值對GL_LIGHT0和其他光源不一樣。

Color

給可以給光源的GL_AMBIENT,GL_DIFFUSE,GL_SPECULAR三個分量設定顏色值，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

從位置的角度講，有兩種光源，一種是directional光源，它位於無窮遠處，所有光線的方向是一致的，也不會衰減，比如“太陽光”。另一種是positional光源，它處於情境中，它的具體位置會影響光照效果。
給光源設定位置的API如下：
GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };
glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);
position的第四個分量如果是0，那麼光源就是directional的，postion值實際是一個向量；否則這個光源就是postional，position就是他的位置。光源的位置和方向都會受ModelView Matrix的影響。

衰減

物體離光源越遠，光的強度會衰減，對於directional光源來說衰減是沒有意義的，所以衰減是針對positional光源來說的。衰減就是用光源的強度乘以一個衰減因子，衰減因子的公式如下：

d = 頂點和光源的距離
Kc = GL_CONSTANT_ATTENUATION
Kl = GL_LINEAR_ATTENUATION
Kq = GL_QUADRATIC_ATTENUATION
Kc的預設值是1.0，Kl和Kq的預設值是0，可以通過API設定：
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
可以給positional光源添加聚光效果，聚光就是指定光源照射的方向和範圍(一個椎體）：
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，也即椎體的軸線方向；
glLightf(GL_LIGHT0, GL_SPOT_CUTOFF, 45.0);
上面制定了椎體邊界和周線之間的夾角，如果角度為180的話，相當於沒有聚光效果。

還可以給聚光增加中軸到邊緣的衰減效果，通過GL_SPOT_EXPONENT屬性。

控制光源位置和方向
OpenGL對待光源位置和方向與對待頂點位置和法線是一樣的，都會被ModelView Matrix轉換成眼座標系座標，這一節講述如何控制光源位置以滿足幾種常見的要求：
1）固定光源位置：把光源放到某個固定位置，不受其他動作的影響；再設定好視點之後，立即指定光源位置。
2）獨立地移動光源：一般在display中設定光源位置，只要使用glPushMatrix和glPopMatrix不難做到。
3）隨視點移動光源：在指定視點之前，指定光源位置，此後動態調整視點時，光源相對位置不變。註：指定視點之前指定的位置，從全局座標系轉換到眼座標系時不會發生變化，因此其相對視點的位置也就沒有變化。

設定光照模式

設定光照模式的API是glLightModel{if}(GLenum pname, TYPE param)或void glLightModel{if}v(GLenum pname, const TYPE *param)，pname是屬性名稱字。

全域環境光線(global ambient)：與光源無關的環境光線，名字是GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT

本地或無限遠的視點(local or Infinit viewport)：在計算高光效果時，頂點的高光強度取決於三個方向：光源和頂點的相對方向、法線方向、視點和頂點的相對方向；不同的頂點和視點的相對方向是不一樣的，使用無限遠的視點就是忽略這種不一致，使用一個固定值，以提升效率。這裡的設定並不會真的改變視點位置，只是針對光照而已。Opengl預設是使用Infinit
Viewport的，改變使用glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, GL_TRUE)。

背面光照：Opengl預設只會對多邊形的front-face做關照處理，某些情況下可能需要對back-face做關照，比如一個球體被剪下一部分，此時需要使用下面的API：glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE,
GL_TRUE);

延遲高光處理：OpenGL流水線中，光照處理髮生在紋理處理之後，這樣高光效果就會被極大弱化。為了是高光效果明顯一些，就要延遲一下高光處理，開啟方法：glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_COLOR_CONTROL,GL_SEPARATE_SPECULAR_COLOR)，
這樣在做光照處理時，先合成ambient，diffuse，emissve分量至頂點顏色，這個顏色角primary color，specular分量產生的顏色角secondary color，暫存起來；等到texture完成後，再將specular值secondary加至頂點顏色。關閉該功能：glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_COLOR_CONTROL,
GL_SINGLE_COLOR)。

4、定義材料屬性

定義材料屬性使用API：
void glMaterial{if}(GLenum face, GLenum pname, TYPE param);
void glMaterial{if}v(GLenum face, GLenum pname, const TYPE *param);
face指物體正面或背面有，pname是屬性名稱，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很大程度上決定了物體的最終顏色；
Sepcular效果與視點的位置有極大關係，如果視角方向與反射的方向一致，則高光效果最明顯；
Shiniess用來控制高光的地區和明亮度，值範圍是[0.0,128.0]，值越大，則高光地區越小，顏色越亮；
emission會使物體有一種發光的效果，但並不能起到光源的作用。

5、光照數學計算

第一行：物體自身釋放的光顏色；
第二行：全域環境光線對物體產生的顏色；
第三行：衰減和聚光效果，衰減前面已經講過，聚光效果的值分一下幾種情況：1）放射角度為180，此時沒有聚光效果，值為1；2）頂點在聚光椎體之外，值為0；3）為max(v*d,0)對GL_SPOT_EXPONENT求冥，v是從光源位置到頂點的單位向量，d是聚光源的中軸方向；
第四行：光源i的環境光線效果
第五行：光源i散射光產生的效果，L是從頂點到光源的單位向量，n是頂點法線向量；
第六行：光源i產生的高光效果，S是（從頂點到光源的單位向量+從頂點到視點的單位向量）結果的正常化，n是頂點法線向量，從“頂點到視點的單位向量”這一項如果GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER沒有開啟的話取值為(0,0,1)。

如果啟用GL_LIGHT_SECONDARY_COLOR的話，只需要把specular部分提取出來作為secondary Color，剩下的是primary Color。