919601-图形程序设计-5
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glMaterialfv(GL_FRONT,GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE,material_am biemt);
函数的第一个参数指定多边形的前面（GL_FRONT），背 面（GL_BACK）或者两面（GL_FRONT_AND_BACK） 具有指定的材质属性。第二个参数则指定当前设置的是哪 一种材质属性，这里我们用GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE， 即设置环境光和漫反射光的值。最后一个参数是一个数组， 它包含了构成属性的RGBA值。
GLfloat light_position[]={1.0,1.0,1.0,0.0}; glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position);
光源位置坐标采用的齐次坐标(x, y, z, w)，这里的w 为0，所以相应的光源是定向光，(x, y, z)描述光源的方 向，这个方向也要进行模型变换。GL_POSITION的缺 省值是(0.0, 0.0, 1.0, 0.0)，它定义了一个方向指向Z负 轴的平行光源。若w非零，光源为定位光源。(x, y, z, w)指定光源在齐次坐标系下的具体位置，这个位置经
镜面光也具有一个特定的方向，被物体表面强烈 地反射到相反方向。例如一个点光源照射一个光滑金 属球时会在表面上形成一块特别亮的区域，即绘画艺 术中的“高光(Highlight)”，它是光源在金属球面上产 生的镜面反射光。对于较光滑物体如金属及塑料，其 镜面反射光的高光区域小而亮；相反，粗糙表面的镜 面如粉笔和毛巾反射光呈发散状态，几乎不存在镜面 光，只能够看到有光泽而已。
glLightf(GL_LIGHT0,GL_CONSTANT_ATTENUATION,2.0); glLightf(GL_LIGHT0,GL_LINEAR_ATTENUATION,1.0); glLightf(GL_LIGHT0,GL_QUADRATIC_ATTENUATION,0.5);
注意：环境光、漫反射光和镜面光的强度都衰减，只有 辐射光和全局环境光的强度不衰减。
glEnable(GL_COLOR_MATERIAL); glColorMaterial(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE);
5.2 创建光源
接下来，我们就可以动手创建第一个光源，使得 场景中的物体在光线的照射下具有真实感。光源的创 建涉及定位和衰减、个数以及光源的位置和方向等细 节。
思考：
尽管光源发出的光具有相同分布的频 率，但是它的环境、散射和镜面成分可能 不同。如果红色墙壁的房间内有一盏白色 的灯，请分析各种光的成分及颜色分别是 什么？
5.1.2 材料颜色
当我们使用光照来描述多边形，总是说它由具有 某些反射属性的材质组成，而不说它具有特殊的颜色。 这样我们指定物体的颜色，就必须指定物体材质对环 境光、漫反射光和镜面光源的反射属性。通常，我们 用材质对光的红、绿、蓝三原色的反射率来近似定义 材质属性。象光源一样，材质颜色也分成环境、漫反 射和镜面反射成分，它们决定了材质对环境光、漫反 射光和镜面反射光的反射程度。
5.2.1 定位和衰减
光源有无穷远光源和近光源两种形式。无穷远光 源又称作定向光源，即这种光到达物体时是平行光， 例如现实生活中的太阳光。近光源又称作定位光源， 光源在场景中的位置影响场景的光照效果，尤其影响 光到达物体的方向。台灯是定位光源的范例。在以前 所有与光照有关的例子里都采用的是定向光源，如：
1. 环境光(AMBIENT LIGHT)
环境光是指在环境中进行充分散射，无法分辨其 方向的光。它有光源，但是由于被周围的环境，如地 面、天空、墙壁等多次反射，无法确定它的来源具体 是什么。环境光均匀地从周围环境入射至景物表面并 等量地向各个方向反射出去。一般说来，房间里的环 境光成分要多一些，户外的相反要少得多，因为大部 分光按相同的方向照射，而在户外很少有其他物体反 射的光。如户外的探照灯能够包含的环境光成分就比 较少，绝大多数光线沿着一个方向照射，并且很少能 够遇到物体反射进入眼睛。
在进行光照计算时，物体的最终颜色是由其材质属性的 RGB值 和光照属性的RGB值共同决定的。例如，如果当 前的环境光源的RGB值为（0.5，1.0，0.5），而物体的 材质的环境反射成分的RGB值为（0.5，0.5，0.5），那 么物体最终的颜色为： （0.5×0.5，1.0×0.5，0.5×0.5）=（0.25，0.5，0.25） 即将每个环境光源的成分与材质的环境反射率相乘。这样， 物体表面的颜色为三项RGB值的叠加：材质对环境光的反 射率与环境光结合的RGB值；材质对漫反射光的反射率与 漫反射光结合的RGB值；材质对镜面光的反射率与镜面反 射光结合的RGB值。注意，当叠加的RGB中任何一个颜 色分量的值大于1.0，那么就用1.0计算。
注意，在大多数情况下，环境光和漫反射光的成分是相同 的，而一般不需要指定镜面反射指数，除非需要镜面亮斑。
第二种更常用的方法是使用颜色跟踪法。通过颜色跟踪法， 只需要通过调用glColor就可以设置材质属性。要使颜色跟 踪法有效，必须调用带有参数GL_COLOR_MATERIAL的 glEnable函数。然后用glColorMaterial函数指定多边形的哪 一个面使用颜色跟踪法。代码如下：
glLightf(GL_LIGHT0,GL_SPOT_CUTOFF,45.0);
3. 定义聚光方向。
聚光方向决定聚光光锥的轴，它使用齐次坐标定义，缺 省值为(0.0,0.0,-1.0)，即指向Z负轴。聚光方向也要进行几 何变换，其结果保存在视点坐标系中。聚光方向是通过函 数glLightfv使用参数GL_SPOT_DIRECTION定义，如下面 一段代码：
在设置了光照模型之后，我们还需要设置绘制物体的材 质属性，使多边形能够反射光，这样就可以看到三棱锥了。 设置材质属性的方法有两种，一种是在绘制每个多边形或 者多边形集和之前利用glMaterial函数。
下面的代码指定了后面绘制的多边形都具有相同的材质属 性：
GLfloat material_ambiemt[]={0.75f, 0.75f, 0.75f, 1.0f};
由于真实感图形是通过景物表面的颜色和明暗色调来表 现景物的几何形状、空间位置以及表面材料的，而一个物体 表面所呈现的颜色是由表面向视线方向辐射的光能决定的。 在计算机图形学中，常采用一个既能表示光能大小又能表示 其颜色组成的物理量即光亮度（luminance）或光强 （intensity of light）来描述物体表面朝某方向辐射光能的颜 色。
采用这个物理量可以正确描述光在物体表面的反射、透 射和吸收现象，因而可以正确计算处物体表面在空间给定方 向上的光能颜色。
物体表面向空间给定方向辐射的光强可应用光照模型 进行计算。简单的光照模型通常假定物体表面是光滑的且 由理想材料构成，因此只考虑光源照射在物体表面产生的 反射光，所生成的图形可以模拟处不透明物体表面的明暗 过渡，具有一定的真实感效果。复杂的光照模型除了考虑 上述因素外，还要考虑周围环境的光对物体表面的影响。 如光亮平滑的物体表面会将环境中其它物体映像在表面上， 而通过透明物体也可看到其后的环境景象。这类光照模型 称为整体光照模型，它能模拟出镜面映像、透明等较精致 的光照效果。
5.2.2 聚光灯
定位光源可以定义成聚光灯形式，即将光的形状限制在一 个圆锥内。OpenGL中聚光的定义包括以下几步： 1. 定义聚光源位置。 因为聚光源也是定向光源，所以他的位置同一般定向光一 样。 2. 定义聚光截止角。 利用函数glLightf使用参数GL_SPOT_CUTOFF定义聚光 光锥的轴与中心线的夹角，也可说成是光锥顶角的一半。 缺省时，这个参数为180.0，即顶角为360度，光向所有的 方向发射，因此聚光关闭。一般在聚光启动情况下，聚光 截止角限制在[0.0,90.0]之间，如下面一行代码设置截止角 为45度：
GLfloat spot_direction[]={-1.0f, -1.0f, 0.0f}; glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spot_direction);
4. 定义聚光指数。
参数GL_SPOT_EXPONENT控制光的集中程度，光锥中心 的光强最大，越靠边的光强越小，缺省时为0。如下面的代码：
glMaterialfv函数的第一个参数指定多边形的前面 （GL_FRONT），背面（GL_BACK）或者两面 （GL_FRONT_AND_BACK）具有指定的材质属性。第二 个参数则指定当前设置的是哪一种材质属性，这里我们使 用GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE，即设置环境光和漫反射 光的值。最后一个参数是一个数组，它包含了构成属性的 RGBA值。
为了更真实的绘制图形，还要考虑物体表面的细节 纹理，这通常使用一种称为“纹理映射”（texture mapping） 的技术把已有的平面花纹图案映射到物体表面上，并在应 用光照模型时将这些花纹的颜色考虑进去，物体表面细节 的模拟使绘制的图形更接近自然景物。
5.1.1 发射光，环境光，漫反射光和镜面反射光
5.1 真实世界与OPENGL光照
真实感图形绘制是计算机图形学的一个重要组成 部分，它综合利用数学、物理学、计算机科学和其它科 学知识在计算机图形设备上生成象彩色照片那样的具有 真实感的图形。
一般说来，用计算机在图形设备上生成真实感图 形必须完成以下四个步骤：一是用建模，即用一定的数 学方法建立所需三维场景的几何描述，场景的几何描述 直接影响图形的复杂性和图形绘制的计算耗费；二是将 三维几何模型经过一定变换转为二维平面透视投影图； 三是确定场景中所有可见面，运用隐藏面消隐算法将视 域外或被遮挡住的不可见面消去；四是计算场景中可见 面的颜色，即根据基于光学物理的光照模型计算可见面 投射到观察者眼中的光亮度大小和颜色分量，并将它转 换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一 象素的颜色，最终生成图形。
当光照射到一个物Leabharlann Baidu表面上时，可能会出现如下情形： 首先，光可以通过物体表面向空间反射，产生反射光；其次， 对于透明物体，光可以穿透该物体并从另一端射出，产生透 射光；最后，部分光被物体表面吸收而转换成热。在这些光 中，人眼可以观察到的是反射光和透射光。物体体本身还有 可能发光，比如发光的灯泡。这里我们暂时不考虑透明物体， 这样场景中可能存在以下几种类型的光，即环境光、漫反射 光、镜面光和辐射光。
2.漫反射光(DIFFUSE LIGHT)
漫反射光来自某个方向。它从正面照射物体表面 时比倾斜时更明亮。一旦它照射到物体上，则在各个 方向上均匀地发散出去。因此无论观察点在任何位置， 看到的物体都是一样亮。。来自特定位置和特定方向 的任何光，都可能有散射成分。
3.镜面反射光(SPECULAR LIGHT)
过模型变换等在视点坐标系下保存下来。
真实的光，离光源越远则光强越小。因为定向光源 是无穷远光源，因此距离的变换对光强的影响几乎没有， 所以定向光没有衰减，而定位光有衰减。OpenGL的光 衰减是通过光源的发光量乘以衰减因子计算出来的。其 中缺省状态下，常数衰减因子是1.0，其余两个因子都 是0.0。用户也可以自己定义这些值，如：
4. 发射光
辐射光模拟源自某些物体的光，是最简单的一种 光。在光照模型中，物体表面发射光可增加物体的 亮度，它直接从物体发出并且不受任何光源影响。
在OpenGL中，场景中来自几个不同光源的光可以 单独打开或者关闭。房间内打开一盏电灯时，大多 数光直接来自于这个灯泡，但也有一些光从墙壁反 射过来，这种反射过来的光可称之为环境光，可认 为是均匀散布的，没有特定的方向。场景中也可以 有其他环境光，这些光线经过多次反射，无法确认 来源。当然光源本身还有可能发出发射光。由于我 们知道光是一种波，而颜色仅仅是我们可以看见的 一种光波，所以每种光照成分都是由RGBA值定义的。
函数的第一个参数指定多边形的前面（GL_FRONT），背 面（GL_BACK）或者两面（GL_FRONT_AND_BACK） 具有指定的材质属性。第二个参数则指定当前设置的是哪 一种材质属性，这里我们用GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE， 即设置环境光和漫反射光的值。最后一个参数是一个数组， 它包含了构成属性的RGBA值。
GLfloat light_position[]={1.0,1.0,1.0,0.0}; glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position);
光源位置坐标采用的齐次坐标(x, y, z, w)，这里的w 为0，所以相应的光源是定向光，(x, y, z)描述光源的方 向，这个方向也要进行模型变换。GL_POSITION的缺 省值是(0.0, 0.0, 1.0, 0.0)，它定义了一个方向指向Z负 轴的平行光源。若w非零，光源为定位光源。(x, y, z, w)指定光源在齐次坐标系下的具体位置，这个位置经
镜面光也具有一个特定的方向，被物体表面强烈 地反射到相反方向。例如一个点光源照射一个光滑金 属球时会在表面上形成一块特别亮的区域，即绘画艺 术中的“高光(Highlight)”，它是光源在金属球面上产 生的镜面反射光。对于较光滑物体如金属及塑料，其 镜面反射光的高光区域小而亮；相反，粗糙表面的镜 面如粉笔和毛巾反射光呈发散状态，几乎不存在镜面 光，只能够看到有光泽而已。
glLightf(GL_LIGHT0,GL_CONSTANT_ATTENUATION,2.0); glLightf(GL_LIGHT0,GL_LINEAR_ATTENUATION,1.0); glLightf(GL_LIGHT0,GL_QUADRATIC_ATTENUATION,0.5);
注意：环境光、漫反射光和镜面光的强度都衰减，只有 辐射光和全局环境光的强度不衰减。
glEnable(GL_COLOR_MATERIAL); glColorMaterial(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE);
5.2 创建光源
接下来，我们就可以动手创建第一个光源，使得 场景中的物体在光线的照射下具有真实感。光源的创 建涉及定位和衰减、个数以及光源的位置和方向等细 节。
思考：
尽管光源发出的光具有相同分布的频 率，但是它的环境、散射和镜面成分可能 不同。如果红色墙壁的房间内有一盏白色 的灯，请分析各种光的成分及颜色分别是 什么？
5.1.2 材料颜色
当我们使用光照来描述多边形，总是说它由具有 某些反射属性的材质组成，而不说它具有特殊的颜色。 这样我们指定物体的颜色，就必须指定物体材质对环 境光、漫反射光和镜面光源的反射属性。通常，我们 用材质对光的红、绿、蓝三原色的反射率来近似定义 材质属性。象光源一样，材质颜色也分成环境、漫反 射和镜面反射成分，它们决定了材质对环境光、漫反 射光和镜面反射光的反射程度。
5.2.1 定位和衰减
光源有无穷远光源和近光源两种形式。无穷远光 源又称作定向光源，即这种光到达物体时是平行光， 例如现实生活中的太阳光。近光源又称作定位光源， 光源在场景中的位置影响场景的光照效果，尤其影响 光到达物体的方向。台灯是定位光源的范例。在以前 所有与光照有关的例子里都采用的是定向光源，如：
1. 环境光(AMBIENT LIGHT)
环境光是指在环境中进行充分散射，无法分辨其 方向的光。它有光源，但是由于被周围的环境，如地 面、天空、墙壁等多次反射，无法确定它的来源具体 是什么。环境光均匀地从周围环境入射至景物表面并 等量地向各个方向反射出去。一般说来，房间里的环 境光成分要多一些，户外的相反要少得多，因为大部 分光按相同的方向照射，而在户外很少有其他物体反 射的光。如户外的探照灯能够包含的环境光成分就比 较少，绝大多数光线沿着一个方向照射，并且很少能 够遇到物体反射进入眼睛。
在进行光照计算时，物体的最终颜色是由其材质属性的 RGB值 和光照属性的RGB值共同决定的。例如，如果当 前的环境光源的RGB值为（0.5，1.0，0.5），而物体的 材质的环境反射成分的RGB值为（0.5，0.5，0.5），那 么物体最终的颜色为： （0.5×0.5，1.0×0.5，0.5×0.5）=（0.25，0.5，0.25） 即将每个环境光源的成分与材质的环境反射率相乘。这样， 物体表面的颜色为三项RGB值的叠加：材质对环境光的反 射率与环境光结合的RGB值；材质对漫反射光的反射率与 漫反射光结合的RGB值；材质对镜面光的反射率与镜面反 射光结合的RGB值。注意，当叠加的RGB中任何一个颜 色分量的值大于1.0，那么就用1.0计算。
注意，在大多数情况下，环境光和漫反射光的成分是相同 的，而一般不需要指定镜面反射指数，除非需要镜面亮斑。
第二种更常用的方法是使用颜色跟踪法。通过颜色跟踪法， 只需要通过调用glColor就可以设置材质属性。要使颜色跟 踪法有效，必须调用带有参数GL_COLOR_MATERIAL的 glEnable函数。然后用glColorMaterial函数指定多边形的哪 一个面使用颜色跟踪法。代码如下：
glLightf(GL_LIGHT0,GL_SPOT_CUTOFF,45.0);
3. 定义聚光方向。
聚光方向决定聚光光锥的轴，它使用齐次坐标定义，缺 省值为(0.0,0.0,-1.0)，即指向Z负轴。聚光方向也要进行几 何变换，其结果保存在视点坐标系中。聚光方向是通过函 数glLightfv使用参数GL_SPOT_DIRECTION定义，如下面 一段代码：
在设置了光照模型之后，我们还需要设置绘制物体的材 质属性，使多边形能够反射光，这样就可以看到三棱锥了。 设置材质属性的方法有两种，一种是在绘制每个多边形或 者多边形集和之前利用glMaterial函数。
下面的代码指定了后面绘制的多边形都具有相同的材质属 性：
GLfloat material_ambiemt[]={0.75f, 0.75f, 0.75f, 1.0f};
由于真实感图形是通过景物表面的颜色和明暗色调来表 现景物的几何形状、空间位置以及表面材料的，而一个物体 表面所呈现的颜色是由表面向视线方向辐射的光能决定的。 在计算机图形学中，常采用一个既能表示光能大小又能表示 其颜色组成的物理量即光亮度（luminance）或光强 （intensity of light）来描述物体表面朝某方向辐射光能的颜 色。
采用这个物理量可以正确描述光在物体表面的反射、透 射和吸收现象，因而可以正确计算处物体表面在空间给定方 向上的光能颜色。
物体表面向空间给定方向辐射的光强可应用光照模型 进行计算。简单的光照模型通常假定物体表面是光滑的且 由理想材料构成，因此只考虑光源照射在物体表面产生的 反射光，所生成的图形可以模拟处不透明物体表面的明暗 过渡，具有一定的真实感效果。复杂的光照模型除了考虑 上述因素外，还要考虑周围环境的光对物体表面的影响。 如光亮平滑的物体表面会将环境中其它物体映像在表面上， 而通过透明物体也可看到其后的环境景象。这类光照模型 称为整体光照模型，它能模拟出镜面映像、透明等较精致 的光照效果。
5.2.2 聚光灯
定位光源可以定义成聚光灯形式，即将光的形状限制在一 个圆锥内。OpenGL中聚光的定义包括以下几步： 1. 定义聚光源位置。 因为聚光源也是定向光源，所以他的位置同一般定向光一 样。 2. 定义聚光截止角。 利用函数glLightf使用参数GL_SPOT_CUTOFF定义聚光 光锥的轴与中心线的夹角，也可说成是光锥顶角的一半。 缺省时，这个参数为180.0，即顶角为360度，光向所有的 方向发射，因此聚光关闭。一般在聚光启动情况下，聚光 截止角限制在[0.0,90.0]之间，如下面一行代码设置截止角 为45度：
GLfloat spot_direction[]={-1.0f, -1.0f, 0.0f}; glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spot_direction);
4. 定义聚光指数。
参数GL_SPOT_EXPONENT控制光的集中程度，光锥中心 的光强最大，越靠边的光强越小，缺省时为0。如下面的代码：
glMaterialfv函数的第一个参数指定多边形的前面 （GL_FRONT），背面（GL_BACK）或者两面 （GL_FRONT_AND_BACK）具有指定的材质属性。第二 个参数则指定当前设置的是哪一种材质属性，这里我们使 用GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE，即设置环境光和漫反射 光的值。最后一个参数是一个数组，它包含了构成属性的 RGBA值。
为了更真实的绘制图形，还要考虑物体表面的细节 纹理，这通常使用一种称为“纹理映射”（texture mapping） 的技术把已有的平面花纹图案映射到物体表面上，并在应 用光照模型时将这些花纹的颜色考虑进去，物体表面细节 的模拟使绘制的图形更接近自然景物。
5.1.1 发射光，环境光，漫反射光和镜面反射光
5.1 真实世界与OPENGL光照
真实感图形绘制是计算机图形学的一个重要组成 部分，它综合利用数学、物理学、计算机科学和其它科 学知识在计算机图形设备上生成象彩色照片那样的具有 真实感的图形。
一般说来，用计算机在图形设备上生成真实感图 形必须完成以下四个步骤：一是用建模，即用一定的数 学方法建立所需三维场景的几何描述，场景的几何描述 直接影响图形的复杂性和图形绘制的计算耗费；二是将 三维几何模型经过一定变换转为二维平面透视投影图； 三是确定场景中所有可见面，运用隐藏面消隐算法将视 域外或被遮挡住的不可见面消去；四是计算场景中可见 面的颜色，即根据基于光学物理的光照模型计算可见面 投射到观察者眼中的光亮度大小和颜色分量，并将它转 换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一 象素的颜色，最终生成图形。
当光照射到一个物Leabharlann Baidu表面上时，可能会出现如下情形： 首先，光可以通过物体表面向空间反射，产生反射光；其次， 对于透明物体，光可以穿透该物体并从另一端射出，产生透 射光；最后，部分光被物体表面吸收而转换成热。在这些光 中，人眼可以观察到的是反射光和透射光。物体体本身还有 可能发光，比如发光的灯泡。这里我们暂时不考虑透明物体， 这样场景中可能存在以下几种类型的光，即环境光、漫反射 光、镜面光和辐射光。
2.漫反射光(DIFFUSE LIGHT)
漫反射光来自某个方向。它从正面照射物体表面 时比倾斜时更明亮。一旦它照射到物体上，则在各个 方向上均匀地发散出去。因此无论观察点在任何位置， 看到的物体都是一样亮。。来自特定位置和特定方向 的任何光，都可能有散射成分。
3.镜面反射光(SPECULAR LIGHT)
过模型变换等在视点坐标系下保存下来。
真实的光，离光源越远则光强越小。因为定向光源 是无穷远光源，因此距离的变换对光强的影响几乎没有， 所以定向光没有衰减，而定位光有衰减。OpenGL的光 衰减是通过光源的发光量乘以衰减因子计算出来的。其 中缺省状态下，常数衰减因子是1.0，其余两个因子都 是0.0。用户也可以自己定义这些值，如：
4. 发射光
辐射光模拟源自某些物体的光，是最简单的一种 光。在光照模型中，物体表面发射光可增加物体的 亮度，它直接从物体发出并且不受任何光源影响。
在OpenGL中，场景中来自几个不同光源的光可以 单独打开或者关闭。房间内打开一盏电灯时，大多 数光直接来自于这个灯泡，但也有一些光从墙壁反 射过来，这种反射过来的光可称之为环境光，可认 为是均匀散布的，没有特定的方向。场景中也可以 有其他环境光，这些光线经过多次反射，无法确认 来源。当然光源本身还有可能发出发射光。由于我 们知道光是一种波，而颜色仅仅是我们可以看见的 一种光波，所以每种光照成分都是由RGBA值定义的。