[OpenGL] 茶壶与光照

OpenGL可以设置至少8种光源，它们的标号为GL_LIGHT0,GL_LIGHT1,GL_LIGHT2……。在这里我们使用了两种光源，一种是环境光，另一种是聚光灯。

在设置光照时，我们需要考虑这样三种光：环境反射光、镜面反射光、漫反射光。在Phong光照模型中，就是通过这三种分量的取值来模拟真实光照的。其中，环境反射光是光源多次反射后的光，可以理解为背景光，镜面反射和漫反射反映了物体表面的粗糙/光滑程度，两者的和是一定的。

在OpenGL中，如果我们想要使用光源，需要输入以下语句开启光照模式：

glEnable( GL_LIGHTING ); // 开启光照模式

对于一个光源，我们首先需要确定它的位置，这个光源可以是点光源，也可以是平行光源，我们写如下函数，如果是点光源，第四个参数为1，前三个参数代表光源位置；如果是平行光源，第四个参数是0，前三个参数表示方向。其中light_pos是一个数组。

在本次试验中，我们采用的是点光源。

glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION, light_pos);//设置第0号光源的光照位置

同时，设置漫反射、镜面反射、环境反射的颜色参数：

glLightfv(GL_LIGHT0,GL_SPECULAR, color);//设置镜面反射光照

glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE, color); //设置漫射光成分

glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT, color); //设置第0号光源多次反射后的光照颜色（环境光颜色）

在本次实验中，我们把环境光设为指定的颜色（在这里，我们选择了白色和绿色），而镜面反射光和漫反射光都设置为白色。

使用如下函数，开启灯光：

glEnable(GL_LIGHT0);//开启第0号光源

聚光灯我们另外使用GL_LIGHT1光源。除了基本的三种光，还包含了其他属性，分别是裁剪角度、光源方向和聚集度：

glLightf(GL_LIGHT1,GL_SPOT_CUTOFF, spotangle); //裁减角度

glLightfv(GL_LIGHT1,GL_SPOT_DIRECTION, lightDir); //光源方向

glLightf(GL_LIGHT1,GL_SPOT_EXPONENT, 2.); //聚集度

对于聚光灯，我们设置和环境光一样。

在设置完了基本的光照后，我们来关注物体的材质，这里的材质并不是指我们理解意义上的材质，而是物体在不同光照下反射的颜色。我们知道，物体的显示效果和光照有着很大的关联，比如在黑暗中，我们看到的物体就是黑色的。我们所看到的物体颜色是由灯光以及物体反射颜色共同决定的。

glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK,GL_SPECULAR, color);

glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK,GL_DIFFUSE, color);

glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK,GL_AMBIENT, color);

其中，第一个参数代表了操作对象的正面还是反面，参数包括GL_FRONT、GL_BACK、GL_FRONT_AND_BACK；第二个参数代表了材质的颜色是在什么光照下表现的；第三个参数是光照下材质的颜色。

对于茶壶，我们设置镜面指数为50，镜面反射为0.6f, 0.6f, 0.6f,漫反射为0.85f, 0.65f, 0.2f。

对于桌面和腿，我们把镜面反射和漫反射的颜色设为相同的指定颜色。

实验数据记录和处理

（数据设置仅供参考）

目前桌子腿的效果不太真实，但是实验要求中也只要求了一种颜色，所以没有做过多优化。如果有好的数据设置，也可以分享一下。

	环境反射	漫反射	镜面反射
白色环境光/聚光灯	（1,1,1）	（1,1,1）	（1,1,1）
绿色环境光/聚光灯	（0,1,0）	（1,1,1）	（1,1,1）
茶壶	/	（0.6, 0.6, 0.6）	（0.85, 0.65, 0.2）
桌面	/	（1,0,0）	（1,0,0）
桌脚1	/	（0,1,0）	（0,1,0）
桌脚2	/	（1,1,0）	（1,1,0）
桌脚3	/	（0,1,1）	（0,1,1）
桌脚4		（0,0,1）	（0,0,1）

// glutEx1.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//#include <stdlib.h>
#include "glut.h"
#include <stdio.h>float fTranslate;
float fRotate;
float fScale     = 1.0f;
float color_b = 1.0f;bool bPersp = false;
bool bAnim = false;
bool bWire = false;
bool isWhite = true;int wHeight = 0;
int wWidth = 0;GLfloat color[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; // 定义颜色  float eye[] = { 0, 0, 8 };
float center[] = { 0, 0, 0 };GLfloat spotangle = 5.0f; //角度//环境光位置
GLfloat light_x = 0.0f;
GLfloat light_y = 0.0f;
GLfloat light_z = 0.0f;//聚光灯方向
GLfloat dir_x = 0.0f;
GLfloat dir_y = 0.0f;
GLfloat dir_z = 0.0f;void Draw_Leg();void Draw_Triangle() // This function draws a triangle with RGB colors
{GLfloat mat_specular[] = { 0.6f, 0.6f, 0.6f, 1.0f };GLfloat mat_diffuse0[] = { 0.85f, 0.65f, 0.2f, 1.0f };GLfloat mat_diffuse1[] = { 1.0f, 0.0f, 0.0f };GLfloat mat_diffuse2[] = { 0.0f, 1.0f, 0.0f };GLfloat mat_diffuse3[] = { 1.0f, 1.0f, 0.0f };GLfloat mat_diffuse4[] = { 0.0f, 1.0f, 1.0f };GLfloat mat_diffuse5[] = { 0.0f, 0.0f, 1.0f };//画茶壶glPushMatrix();glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);// 设置多边形正面的镜面反射属性glMateriali(GL_FRONT_AND_BACK, GL_SHININESS, 50);// 指定镜面指数glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse0); //设置多边形正面漫反射属性glTranslatef(0, 0, 4+1);glRotatef(90, 1, 0, 0);glutSolidTeapot(1);glPopMatrix();//画桌面 glPushMatrix();glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_diffuse1);// 设置多边形正面的镜面反射属性glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse1);//设置多边形正面漫反射属性glTranslatef(0, 0, 3.5);glScalef(5, 4, 1);glutSolidCube(1.0);glPopMatrix();//画四条腿  glPushMatrix();glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_diffuse2);// 设置多边形正面的镜面反射属性glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse2);//设置多边形正面漫反射属性glTranslatef(1.5, 1, 1.5);Draw_Leg();glPopMatrix();glPushMatrix();glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_diffuse3);// 设置多边形正面的镜面反射属性glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse3);//设置多边形正面漫反射属性glTranslatef(-1.5, 1, 1.5);Draw_Leg();glPopMatrix();glPushMatrix();glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_diffuse4);// 设置多边形正面的镜面反射属性glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse4);//设置多边形正面漫反射属性glTranslatef(1.5, -1, 1.5);Draw_Leg();glPopMatrix();glPushMatrix();glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_SPECULAR, mat_diffuse5);// 设置多边形正面的镜面反射属性glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE, mat_diffuse5);//设置多边形正面漫反射属性glTranslatef(-1.5, -1, 1.5);Draw_Leg();glPopMatrix();}//绘制腿部
void Draw_Leg()
{glScalef(1, 1, 3);glutSolidCube(1.0);
}void updateView(int width, int height)
{glViewport(0,0,width,height);//设置视窗大小glMatrixMode(GL_PROJECTION);//设置矩阵模式为投影 glLoadIdentity(); //初始化矩阵为单位矩阵    float whRatio = (GLfloat)width/(GLfloat)height;  //设置显示比例  if (bPersp) {gluPerspective(45.0f, whRatio,0.1f,100.0f); //透视投影  //glFrustum(-3, 3, -3, 3, 3,100);} else {glOrtho(-3 ,3, -3, 3,-100,100);  //正投影}glMatrixMode(GL_MODELVIEW);     //设置矩阵模式为模型
}void reshape(int width, int height)
{if (height==0)       //如果高度为0{height=1; //让高度为1（避免出现分母为0的现象）}wHeight = height; wWidth = width;updateView(wHeight, wWidth); //更新视角
}void idle()
{glutPostRedisplay(); //调用当前绘制函数
}void key(unsigned char k, int x, int y)
{switch (k){case 27:case 'q': {exit(0); break; }case 'p': {bPersp = !bPersp; break; }case ' ': {bAnim = !bAnim; break; }case 'o': {bWire = !bWire; break; }case 'a': { //整体左移eye[0] += 0.2f;center[0] += 0.2f;break;}case 'd': {//整体右移eye[0] -= 0.2f;center[0] -= 0.2f;break;}case 'w': {//整体上移eye[1] -= 0.2f;center[1] -= 0.2f;break;}case 's': {//整体下移eye[1] += 0.2f;center[1] += 0.2f;break;}case 'z': {//整体前移eye[2] -= 0.2f;center[2] -= 0.2f;break;}case 'c': {//整体后移eye[2] += 0.2f;center[2] += 0.2f;break;}case 'j': {//环境光左移light_x = light_x - 0.2f;break;}case 'l': {//环境光右移light_x = light_x + 0.2f;break;}case 'i': {//环境光上移light_y = light_y + 0.2f;break;}case 'k': {//环境光下移light_y = light_y - 0.2f;break;}case 'n': {//环境光前移light_z = light_z + 0.2f;break;}case 'm': {//环境光后移light_z = light_z - 0.2f;break;}case 'r': {//环境光颜色切换isWhite = !isWhite;break;}case 'f': {//聚光灯左移dir_x = dir_x - 0.05f;break;}case 'h': {//聚光灯右移dir_x = dir_x + 0.05f;break;}case 't':{//聚光灯上移dir_y = dir_y - 0.05f;break;}case 'g':{//聚光灯下移dir_y = dir_y + 0.05f;break;}case 'v': {//聚光灯后移dir_z = dir_z - 0.05f;break;}case 'b': {//聚光灯前移dir_z = dir_z + 0.05f;break;}case 'x': { //聚光灯角度变大if (spotangle <= 89.0f) {spotangle = spotangle + 0.2f;}break;}case 'y': { //聚光灯角度变小if (spotangle >= 1.0f) {spotangle = spotangle - 0.2f;}break;}}updateView(wHeight, wWidth);
}void redraw()
{glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);  //清除颜色缓存和深度缓存  glLoadIdentity(); //初始化矩阵为单位矩阵  gluLookAt(eye[0], eye[1], eye[2],center[0], center[1], center[2],0, 1, 0);             // 场景（0，0，0）的视点中心 (0,5,50)，Y轴向上if (bWire) {glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);//设置多边形绘制模式：正反面，线型}else {glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL);//设置多边形绘制模式：正反面，填充    }glEnable(GL_DEPTH_TEST);//开启深度测试  glEnable(GL_LIGHTING);  //开启光照模式  //GLfloat specular[] = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f };GLfloat light_pos[] = {5.0 + light_x ,5.0 + light_y,5.0 + light_z,1}; //定义环境光位置  GLfloat light_pos1[] = { 0.0f, 5.0f, 0.0f, 1.0f }; //定义聚光灯位置GLfloat lightDir[] = { 0.0f + dir_x ,-1.0f + dir_y ,0.0f + dir_z }; //角度GLfloat white[] = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f }; //定义白色if (isWhite) {color[0] = 1.0f, color[1] = 1.0f, color[2] = 1.0f, color[3] = 1.0f;}else {color[0] = 0.0f, color[1] = 1.0f, color[2] = 0.0f, color[3] = 1.0f;}glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_pos); //设置第0号光源的光照位置  glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, white); //设置镜面反射光照颜色glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, white);                     //设置漫射光成分glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, color);   //设置第0号光源多次反射后的光照颜色（环境光颜色）glEnable(GL_LIGHT0); //开启第0号光源 glLightfv(GL_LIGHT1, GL_AMBIENT, color);             //设置环境光成分glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPECULAR, white);                    //设置镜面光成分glLightfv(GL_LIGHT1, GL_DIFFUSE, white);                     //设置漫射光成分glLightfv(GL_LIGHT1, GL_POSITION, light_pos1);glLightf(GL_LIGHT1, GL_SPOT_CUTOFF, spotangle);             //裁减角度glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPOT_DIRECTION, lightDir);          //光源方向glLightf(GL_LIGHT1, GL_SPOT_EXPONENT, 2.);                    //聚集度glEnable(GL_LIGHT1);glRotatef(fRotate, 0, 1.0f, 0);  //旋转glRotatef(-90, 1, 0, 0); //旋转glScalef(0.2, 0.2, 0.2);  //缩放Draw_Triangle(); //绘制场景if (bAnim) fRotate    += 0.5f; //旋转因子改变glutSwapBuffers(); //交换缓冲区
}int main (int argc,  char *argv[])
{glutInit(&argc, argv);//对glut的初始化   glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH | GLUT_DOUBLE);//初始化显示模式:RGB颜色模型，深度测试，双缓冲     glutInitWindowSize(480,480);//设置窗口大小   int windowHandle = glutCreateWindow("Simple GLUT App");//设置窗口标题 glutDisplayFunc(redraw); //注册绘制回调函数   glutReshapeFunc(reshape);   //注册重绘回调函数   glutKeyboardFunc(key); //注册按键回调函数 glutIdleFunc(idle);//注册全局回调函数：空闲时调用 glutMainLoop();  // glut事件处理循环 return 0;
}

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