三维图形的光照、贴图及阴影处理(OpenGL)

三维图形的光照、贴图及阴影处理（OpenGL）

实验过程：

一、在VS6.0中建立新工程。

1、新建一个Win32 Application的工程。

2、向工程项目添加C++源文件。

3、将OpenGL框架复制到文件中。

4、设置OpenGL窗口标题。

二、场景设置。

1、视线处于一具有地板及前、左、右三面墙壁的空间中。

2、空间顶部中央有一光源。

3、空间中央有一地球仪，不断旋转。

三、建立视口结构及视点属性。

1、在坐标系上建立视图结构。如图。

2、参数设置。

窗口大小：800*600。

视口大小：800*600。

透视深度：0.1~100。

透视角：60°。

视点位置：(0.0, 2.0, 15.0)。

视线方向：z轴负方向。

视点上方向：y轴正方向。

3、调用函数glViewport()、gluPerspective()和gluLookAt()实现。

四、绘制三维图形。

1、开启深度测试模式。

为防止图形重叠时出现层次混乱，必须对绘制图形进行消隐处理。直接调用函数glEnable(GL_DEPTH_TEST)开启深度测试。

2、绘制地面与墙壁。

调用OpenGL基本几何元素绘制过程glBegin(GL_QUADS)、

glBegin(GL_QUAD_STRIP)绘制四个平面，坐标范围为：x: -10~10, y: -2~20, z: -10~10。坐标系结构如图。

3、绘制地球仪。

设计函数void DrawEarth()实现地球仪的绘制，分别调用OpenGL球面绘制函数gluSphere()绘制地球形状、柱面绘制函数gluCylinder()绘制地轴两头形状。

(1)参数设置。

球面半径：2。

球面细度：水平100，垂直100。

柱面半径：0.05。

柱面高度：1。

柱面细度：水平50，垂直1。

(2)结构如图。

4、绘制模拟光源。

(1)绘制“灯罩”。

调用glBegin(GL_TRIANGLE_STRIP)绘制4个三角形，构成棱椎形灯罩的4个侧面。

(2)绘制“灯泡”。

调用gluSphere()绘制球形灯泡。

(3)参数设置。

灯罩底面：四个底面顶点距底面中心距离为1。

灯罩高度：1。

灯罩颜色：顶点为(0.8, 0, 0)，底面顶点为(0.8, 0.8, 0)，绘制时颜色自然过渡。

灯泡半径：0.4。

灯泡颜色：(1, 1, 0.8)。

(4)整体结构如图。

五、光照效果。

1、设置全局环境光。

调用函数glLightModelfv()调节全局泛射光强度为(1, 1, 1, 1)。

2、设置光源0。

调用函数glLightfv()调节光源泛射光强度为(1, 1, 1, 1)，漫反射光强度为(2, 2, 2, 1)，光源位置为(0, 10, 0, 1)，最后一个参数指定光照类型为非平行光。

3、光照效果开启与关闭。

光照效果仅作用于地面、墙壁、地球及地轴，模拟光源不使用光照效果。调用函数glEnable(GL_LIGHTING)和glDisable(GL_LIGHTING)实现光照模式的开启和关闭。

六、设置地球仪和模拟光源的自转。

调用函数glRotatef()实现旋转，转轴与地轴同一直线，设置变量earth_rotate 为旋转角度，每帧更新递增4°，则绘图时自动旋转。

七、纹理贴图。

1、载入贴图。

(1)设计函数BOOL LoadTexture()实现贴图载入，对应的贴图引用ID保存在数组texture[NTEX]中。

(2)在初始化函数Initialize()中调用LoadTexture()载入贴图。

2、绘制贴图。

(1)调用函数glBindTexture()为下面绘制的图形绑定贴图。

(2)调用函数glTexCoord2f()建立二维图形与贴图的坐标映射。

(3)调用函数gluQuadricTexture()建立球面与贴图的坐标映射。

3、贴图模式的开启与关闭。

贴图只应用于地面、墙壁和地球面，地轴和模拟光源不使用贴图。调用函数glEnable(GL_TEXTURE_2D)和glDisable(GL_TEXTURE_2D)实现贴图模式的开启

和关闭。

4、带光照效果和纹理贴图的图形绘制。

八、阴影效果。

1、平面阴影投射矩阵的推导。

设投射平面α的方程为Ax + By + Cz + D=0，光源位置为L(Lx, Ly, Lz)，空间某点P(Px, Py, Pz)在平面α上的投影坐标为S(Sx', Sy', Sz')，则有L，P，S共线，且ASx' + BSy' + CSz' + D = 0。如图。

令向量L = (Lx, Ly, Lz, 0)，P = (Px, Py, Pz, 1)，S = (Sx', Sy', Sz', 1)，N = (A, B, C, D)，则有

ASx' + BSy' + CSz' + D = S · N = [k'(P –L) + L] · N= [k'P + (1 –k')L] · N = 0，

令k = (k' – 1) / k'得(P + kL) · N=0，解得

k = –(P · N) / (L · N) = – (APx + BPy + CPz + D) / (ALx + BLy + CLz)。将上式代入S = P + kL可得

Sx' = Px + kLx

= Px – Lx(APx + BPy + CPz + D)/(ALx + BLy + CLz)

= [Px · (BLy + CLz) –Py · BLx –Pz · CLx –1 · DLx]/(ALx + BLy + CLz)

= P · (BLy + CLz,– BLx, –

CLx, – DLx )/(ALx + BLy + CLz)，

Sy' = P · (– ALy, ALx + CLz, –

CLy, – DLy )/(ALx + BLy + CLz)，Sz' = P · (– ALz, – BLz, ALx + BLy, – DLz )/(ALx + BLy + CLz)，

1 =

P · (0, 0, 0, ALx + BLy + CLz )/(ALx + BLy + CLz)。

在OpenGL中，四维坐标有以下转换关系：

(x, y, z, k) = (kx, ky, kz, 1)。

由此，得到S的四维向量坐标S = HP，其中P为空间某点P的向量坐标，H即为平面阴影投射矩阵。

在OpenGL中，有一个4×4的空间－平面坐标变换矩阵R，将三维坐标映射为屏幕实际显示出来的二维图形。故有S0 = RS = RHP = R'P，其中R' = RH。从而在R'的变换下，图形将被“压扁”地绘制到阴影投射平面上。

2、阴影投射矩阵的生成算法。

设计函数void GenerateShadow()计算阴影投射矩阵，记录在二维数组

shadow[4][4]中。