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第三章 光照模型及纹理映射
1. 基本光照模型
在现实生活中，当光照在非透明物体上时，部分光线被物体吸收，剩余的部分光线被反射。人眼依靠这种反射光来感知物体的形状、颜色和其他细节。从光源投向物体的光称为入射光，从物体表面反射回的光称为反射光。
1.1 光照模型概述
当光照射到物体表面上时，将出现3种情况：
● 光从物体表面反射，形成反射光
● 光穿透物体，形成透射光
● 光被物体吸收，转化成为物体的内能
在上述三种情形的光线中，通常只有前2种情形的光线会对人眼产生视觉效果，使人察觉到物体的色彩变化。
OpenGL用一种近似的光照模型模拟现实世界的光照效果。在该模型中，仅当物体表面吸收和反射光线时，光源才会起做作用。每一个物体表面都假定是由某种特性的材料构成的。一种材料可能发出自己的光线，也可能在各个方向上发散一些射入的光线，还有可能像镜子一样在某个方向强烈地反射入射光。
1.2 光照分量
在OpenGL的简化光照模型中，将光照分为4个独立的组成部分：辐射光、环境光、漫反射光和镜面反射光。
1） 辐射光
辐射光是直接从物体或光源发出的，不受任何其他光源的影响。
2） 环境光
环境光是这样一种光线，它被环境多次反射，以致于连初始方向也难以确定。这种光线看起来就像来自于所有的方向，当它照在一个物体表面时，它在所有的方向上等量地反射。
3） 漫反射光
在被照射物体表面的反射光中，那些均匀地向各个方向反射出去的光，称为漫反射光，如黑板反射就属于漫反射光
4） 镜面反射光
镜面反射光是指超一定方向的反射光，如点光源照射光滑金属球表面时，会在球表面形成一个特别亮的区域，呈现所谓的高亮(Highlight)，这就是光源在该物体表面形成的镜面反射光(Specular Light)。点光源照射表面光滑的物体时，高亮区域小而亮；而点光源照射表面粗糙的物体时，高亮区域大而不亮。
1.3 创建光源
光源有许多特性，如颜色、位置、方向等。不同特性的光源，作用在物体上的效果是不一样的。
1.3.1 定义一个简单光源
在OpenGL中，定义一个光源是由函数glLight()来实现的，该函数的原型为：void glLight(GLenum light,GLenum pname)；
light为一个光源，pname为光源light指定一个单值的光源参数，其取值及其含义如下表所示：
pname
功 能
缺 省 值
GL_AMBIENT
环境光分量的强度
(0.0,0.0,0.0,1.0)
GL_FIFFUSE
漫反射光分量的强度
(1.0,1.0,1.0,1.0)
GL_SPECULAR
镜面反射光分量的强度
(1.0,1.0,1.0,1.0)
GL_POSITION
光源位置
(0.0,0.0,0.0,0.0)
GL_SPOT_DIRECTION
光源聚光方向
(0.0,0.0,-1.0)
GL_SPOT_EXPONENT
光源的聚光指数
0.0
GL_SPOT_CUTOFF
聚光的截至角
180.0
GL_CONSTANT_ATTENUATION
光的常数衰减因子
1.0
GL_LINEAR_ATTENUATION
光的线性衰减因子
0.0
GL_QUADERTIC_ATTENUATION
光的二次衰减因子
0.0
光源的数目与具体的实现的系统有关，但至少支持8个光源。它们用符号名称GL_LIGHTi相互区别，这里0≤i≤GL_MAX_LIGHTS，如GL_LIGHT0,GL_LIGHT1,…GL_LIGHT7等。
以下的代码定义了一个编号为GL_LIGHT0的光源的例子：
GLfloat light_ambient[]={0.0,0.0,0.0,1.0};
GLfloat light_diffuse[]={1.0,1.0,1.0,1.0};
GLfloat light_specular[]={1.0,1.0,1.0,1.0};
GLfloat light_position[]={1.0,1.0,1.0,1.0};
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,light_ambient);
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_DIFFUSE,light_diffuse);
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_SPECULAR,light_specular);
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position);
光源定义完毕后，必须调用glEnable(GL_LIGHT0)打开该光源，否则该光源对场景中的物体不起作用。
1.3.2 启用光源和激活光源
在OpenGL中，如果需要使用光源，首先必须启用光照。
启动光照的函数为：glEnable(GL_LIGHTING);
取消光照的函数为：glDisable(GL_LIGHTING);
对于具体定义的各个光源，可以为每个光源指定是否使用和停止使用。以上一个光源GL_LIGHT0为例。使用GL_LIGHT0光源的函数为：glEnable(GL_LIGHT0)，停止使用GL_LIGHT0光源的函数为：glDisable(GL_LIGHT0)。
1.4 光源属性
光源属性主要有光的颜色强度、光源的位置、光源的衰减特性和光源的聚光效果等。
1.4.1 光源颜色
定义光源的GL_AMBIENT,GL_DIFFUSE和GL_SPECULAR属性时，参数params 包含4个整数值或浮点值，它们分别用来指定光源的RGBA环境光、RGBA漫反射光和RGBA镜面反射光。整数型数值被线性地映射为浮点格式：最大的正数映射为1.0，最小点的负数映射为-1.0,。浮点型数值则直接映射。二者不被截断。所有光源的GL_AMBIENT环境光强度缺省为(0.0,0.0,0.0,1.0),光源GL_LIGHT0的DIFFUSE漫反射光强度缺省值为(1.0,1.0,1.0,1.0)，其他光源的漫反射光强度缺省值为(0.0,0.0,0.0,0.0)。光源GL_LIGHT0的GL_SPECULAR镜面反射光强度缺省值为(1.0,1.0,1.0,1.0) ，其他光源的镜面反射光强度缺省值为(0.0,0.0,0.0,0.0)。以下代码将光源GL_LIGHT0的环境光颜色设置为蓝色：
GLfloat light_ambient[]={0.0,0.0,1.0,1.0};
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_AMBIENT,light_ambient);
1.4.2 光源的位置
光源的位置有2种，一种离场景无限远，另一种在附近。远的称为方向光源，它射到物体上的光可以认为是平行的，现实生活中，太阳就是这样的光源。近的称为位置光源，它的具体位置决定了它对场景的作用效果，尤其是决定了光线的投射方向，台灯就是这样的位置光源。
定义光源的GL_POSITION属性时，参数params包含4个整数值或者浮点值，它们用来指定光源在齐次坐标中的位置。整数型和浮点型都直接映射，不被截断。
下面的代码定义了光源GL_LIGHT0为方向光源，光源方向为(1.0,1.0,1.0);
GLfloat light_position[]={1.0,1.0,1.0,0.0};
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position);
下面的代码定义了光源GL_LIGHT0为位置光源，光源位置为(1.0,1.0,1.0);
GLfloat light_position[]={1.0,1.0,1.0,1.0};
glLightfv(GL_LIGHT0,GL_POSITION,light_position);
1.4.3 光源的衰减
自然世界中的光，光线的强度随光源距离的增加而减少。由于方向光源的距离是无限远的，随距离的增加而衰减其光线强度是没有意义的，因此对方向光源的光线不进行衰减处理。对于位置光源，OpenGL使用下面的衰减因子来衰减光线的强度。
衰减因子=
其中，d为光源位置到物体顶点之间的距离。
● kc为常数衰减因子(GL_CONSTANT_ATTENUATION)，默认值为1.0。
● ke为线性衰减因子(GL_LINEAR_ATTENUATION)，默认值为0.0。
● kq为二次衰减因子(GL_QUADRATIC_ATTENUATION),默认值为0.0。
注意：GL_CONSTANT_ATTENUATION，GL_LINEAR_ATTENUATION和GL_QUADRATIC_ATTENUATION属性时，参数params是一个整数值或浮点值，且只能取非负值。
1.4.4 聚光效果
控制光源聚光效果的参数有3个，它们分别是：聚光的方向GL_SPOT_DIRECTION、聚光的发散角GL_SPOT_CUTOFF和光源的强度分布GL_SPOT_EXPONENT。
定义光源的GL_SPOT_DIRECTION属性时，参数params包含3个整数值或浮点值，它们用来指定光源在齐次对象坐标中的方向。整型数值和浮点数值都直接映射。二者不被截断。
定义光源的GL_SPOT_CUTOFF属性时，参数params是一个整数值或浮点值，它们用来指定一个光源的最大发散角。整型数值和浮点数值都直接映射。其取值范围是[0,90]和特殊值180。如果光照方向与它所照射的顶点的方向之间夹角大于聚光灯的截止角，光线将被完全屏蔽。否则，光的强度将受到聚光指数和发散因子所控制。缺省的聚光灯截止角是180，它产生了均匀的发散光。
定义光源的GL_SPOT_EXPONENT属性时，参数params是一个整数值或浮点值，它们用来指定一个光源的强度分布。整型数值和浮点数值都直接映射。其取值范围为[0,128]。有效的光强度是按照光照方向与它所照射的顶点之间的方向之间的夹角的余弦规律衰减的，一直衰减到聚光指数的幂。因此，较高的聚光指数就会导致一个较高的汇聚光源，而不管其截止角究竟如何。缺省的聚光指数是0，它产生了均匀的光强衰减方式。
下面的代码定义了光源GL_LIGHT0的聚光方向为(1.0,1.0,1.0)，发散角为45°：
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);
1.5 小结
下面介绍使用一个多光源的实例，其中一个光源是标准的蓝色光源，另一个是红色的聚光灯。代码见附录。

2. 纹理映射
纹理映射是真实图形制作的一个重要部分，运用纹理映射可以方便地制作真是图形，而不必花更多的时间去考虑物体的表面纹理。如一张木制桌子其表面的木纹是不规范的，看上去又是那么自然，如果在图形制作中不用纹理映射，那么只是这张桌子面纹理的设计，就要花费很大精力，而且设计结果也未必能像现实中那么自然。如果运用纹理映射就非常方便，可以用扫描仪将这样的一张桌子扫成一个位图。然后具体的操作中，只需把桌面形状用多边形画出来，把桌面纹理贴上去就可以了。
另外，纹理映射能够在多边形进行变换时仍保证纹理的图案与多边形保持一致性。例如，以透视投影方式观察墙面时，远端的砖会变小，而近处的砖就会大一些。
此外，纹理映射也可以用于其他方面。例如，使用一大片植物的图像映射到一些一些连续的多边形上，以模拟地貌，或者大理石，木纹等自然物质的图像作为纹理映射到相应的多边形上，作为物体的真实表面。
在OpenGL中提供了一系列完整的纹理操作函数，用户可以用它们构造理想的物体表面，可以对光照物体进行处理，使其映射到所处环境的景象，可以用不同方式应用到曲面上，而且可以随几何物体的几何属性变化而变化，从而使制作的三维场景和三维物体更真实，更自然。
纹理映射只能工作在RGB模式下，在OpenGL中，进行纹理映射的基本步骤如下：①定义纹理；②控制纹理；③映射方式；④纹理坐标。
2.1 纹理的定义
在最简单的情况下，纹理是单个图像。如同大多数图像一样，纹理通常是一维和二维的，在一些应用场合也使用三维纹理进行图形绘制。描述纹理的每个纹素可以由1个、2个、3个或4个元素构成，由1个(R、G、B、A)四元值的调制常数来表示任何内容。
2.1.1 一维纹理映射的定义
在OpenGL中定义一维纹理的函数是glTexImage1D()，原型为：void glTexImage1D(GLenum target,Glint level,Glint components,GLsizei width,GLint border,GLenum format,GLenum type,const GLvoid* pixels);
参数说明:
target 指定纹理映射。在这里必须是GL_TEXTURE_1D;width指定纹理的宽，一维纹理没有高度，width必须是2n，n为正数；border指定纹理的边界，必须是1或0；level指定多级分辨率的纹理图像，只有一种分辨率的level=0;components指定选用RGBA的哪些成分用于混合调整；pixels指定一个指针，指向纹理数据在内存中的位置；format和type指定纹理的映射格式和数据类型。
Components指定选用RGBA的哪些成分用于混合和调整，可以是1,2,3,4。其中：1表示选用R成分；2表示选用R、A成分；3表示选用R、G、B成分；4表示选择R、G、B、A成分。
Format可以接受一下符号常量：
● GL_COLOR_INDEX ●GL_RGB ●GL_RGBA ●GL_RED
● GL_GREEN ●GL_BLUE ●GL_ALPHA ●GL_LUMINANCE_ALPHA

type可以接受以下符号常量：
● GL_TYPE ●GL_UNSIDNED_BYTE ●GL_SHORT ●GL_INT
● GL_UNSIGNED_SHORT ●GL_UNSIGNED_INT ●GL_FLOAT
● GL_BITMAP
参数level用于指定不同分辨率的纹理，使用时自然要考虑纹理波的问题。
2.1.2 二维纹理映射的定义
在OpenGL中，二维纹理的定义与一维纹理略有不同，使用函数glTexImage2D()，该函数的原型为：void glTexImage2D(GLenum target,Glint level,GLenum components,GLsizei width,GLsizei height,Glint border,GLenum gormat,GLenum type,const GLvoid*pixel)
参数说明：
target指定纹理映射，此处必须是GL_TEXTURE_2D;level指定多级分辨率纹理图像，当只有一种分辨率时level=0；components的含义与一维纹理一样，是选择用于调整和混合的成分，各取值及其含义与一维纹理一样；width指定纹理图像的高度，必须是2n，n为正数；height指定纹理图像的高，必须是2n，n为正数；border为边界宽，必须是0和1；format和type分别指定纹理映射的格式和数据类型。其取及其含义与一维纹理定义一致；pixel指定一个指针，指向纹理数据在内存中的位置。

2.1.3 纹理演示实例

部分代码说明：
⑴ 纹理生成函数，该函数用于产生所需要的纹理数据，源代码如下：
void makeImage(void)
{
int i, j, r,g,b;

for (i = 0; i < ImageWidth; i++)
{
for (j = 0; j < ImageHeight; j++)
{
r=(i*j)%255;
g=(4*i)%255;
b=(4*j)%255;
Image[i][j][0] = (GLubyte) r;
Image[i][j][1] = (GLubyte) g;
Image[i][j][2] = (GLubyte) b;
}
}
}
⑵ 初始化函数，在该函数中主要进行了生成纹理数据、设置像素存储模式、定义二维纹理及其参数等操作，原代码如下：
void myinit(void)
{
glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glDepthFunc(GL_LESS);
makeImage();// 生成纹理数据
glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1); // 设置像素存储模式
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 3, ImageWidth, ImageHeight, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, &Image[0][0][0]); // 定义二维纹理映射
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP);
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP);
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST); // 定义纹理映射参数
glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_DECAL); // 数值纹理环境参数
glEnable(GL_TEXTURE_2D); // 使用二维纹理
glShadeModel(GL_FLAT);
}
⑶ 场景绘制函数，在该函数中首先清除了颜色和缓冲区，然后绘制了2个定义纹理坐标的四边形，源代码如下：
void CALLBACK display(void)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glBegin(GL_QUADS);
glTexCoord2f(0.0, 0.0); glVertex3f(-2.0, -1.0, 0.0);
glTexCoord2f(0.0, 1.0); glVertex3f(-2.0, 1.0, 0.0);
glTexCoord2f(1.0, 1.0); glVertex3f(0.0, 1.0, 0.0);
glTexCoord2f(1.0, 0.0); glVertex3f(0.0, -1.0, 0.0);
glTexCoord2f(0.0, 0.0); glVertex3f(1.0, -1.0, 0.0);
glTexCoord2f(0.0, 1.0); glVertex3f(1.0, 1.0, 0.0);
glTexCoord2f(1.0, 1.0); glVertex3f(2.41421, 1.0, -1.41421);
glTexCoord2f(1.0, 0.0); glVertex3f(2.41421, -1.0, -1.41421);
glEnd();
glFlush();
}
2.2纹理数据的获取
在OpenGL中的纹理映射所使用的纹理数据，既可以是程序生成的一组数据，也可以从外部文件中直接读取。
2.1.1直接创建法
直接创建纹理的方法是利用函数直接设置各纹理像素点的RGB值，使用这种方法只能生成简单的有一定的规律的纹理图像，无法模拟复杂的、比较自然的纹理图像。不过OpenGL提供了从外部图像文件中读取纹理的办法。前面的实例就是采用程序直接生成纹理数据的办法，直接设置了各纹理像素点的RGB颜色数值。
2.1.2 读取外部文件
使用外部文件中的纹理数据最简单的方法是利用Windows下提供的一个函数auxDIBImageLoad()，该函数的原型为：
AUX_RGBImageRec auxDIBImageLoad(LPCTSTR filename);
该函数的功能是获取纹理数据，filename指定读取纹理的文件名，该函数可以读取2种类型的文件格式：bmp格式和rgb格式，并且能够根据扩展名的不同，自动选择读取的方法。
2.3 纹理坐标
2.3.1 纹理坐标的指定
在绘制纹理映射场景时，不仅要给出每个顶点定义的几何坐标，同时还要定义纹理坐标。经过多次变换后，几何坐标决定顶点在屏幕上的绘制位置，而纹理坐标决定纹理图像中的哪一个元素赋予该顶点。
纹理图像是方型数组，纹理坐标通常可以定义成1D、2D、3D或4D的形式，称为s,t,r和q坐标，以区别于物体坐标(x,y,z,w)和其他坐标。
在OpenGL中，定义纹理坐标函数是glTexCood*()，该函数的原型如下：
void glTexCoord1(GLint s);
void glTexCoord2 (GLint s,GLint t);
void glTexCoord3 (GLint s,GLint t,GLint r);
void glTexCoord4 (GLint s,GLint t,GLint r,GLint q);
void glTexCoord v(const TYPE *v);
以上函数的功能为设置当前纹理坐标，s,t,r,q指定纹理坐标，v指定一个指向一元、二元、三元或四元数组的指针，它将顺次指定相应的纹理坐标s,t,r和q。
纹理映射的过程就是纹理坐标和表示物体的几何坐标一一对应的过程，下面的代码是把装入内存的一块纹理图像映射到一个几何四边形。
glBegin(GL_QUAIDS)//画四边形
glTexCoord2f(0.0,0.0);
glVertex3f(-4.0,-2.0,0.0);
glTexCoord2f(0.7,0.7);
glVertex3f(0.0,-2.0,0.0);
glTexCoord2f(1.0,0.7);
glVertex3f(0.0,2.0,0.0);
glTexCoord2f(0.0,0.7);
glVertex3f(-4.0,2.0,0.0);
glEnd();
在纹理粘贴到物体以前，必须说明纹理怎样和物体匹配，这样所画的几何物体才既有美丽的纹理，又有几何物体的属性。物体的几何属性是由物体的顶点来描述的，由顶点构成物体的许许多多个面，再由这些面来组成几何物体。所以给几何物体顶点赋予适当的纹理坐标，就可以把纹理成功地映射到几何物体上，从而达到期望的效果。
物体模型是由多边形组成的，纹理一般是长方形或正方形图像。如果所选的纹理坐标不当就可能会引起纹理的扭曲。例如，一个正方形的纹理映射到一个长方形上，如果直接全部映射显然会扭曲，为了避免扭曲，就需要纹理和几何长方形之间有一个正确的比例，设长方形的宽/高(w/h)=3/4，四个顶点的坐标为：(0.0,0.0,d),(w,0.0,d),(w,h,d),(h,0.0,d)，则可用下面的代码实现正确的纹理映射：
glTexCoord2f(0.0,0.0);
glVertex3f(0.0,0.0,d);
glTexCoord2f(0.75,0.0);
glVertex3f(w,0.0,d);
glTexCoord2f(0.75,1.0);
glVertex3f(w,h,d);
glTexCoord2f(1.0,0.0);
glVertex3f(0.0,h,d);
2.3.2 纹理坐标的自动计算
在某些场合，为获得特殊效果需要自动产生纹理数据，并不要求用函数glTexCoord*()为每个物体的顶点赋予纹理坐标值。
OpenGL提供了自动生产纹理坐标函数glTexGen()，该函数的原型为：void glTexGen v(GLenum coord,GLenum pname,TYPE param)；
该函数的功能是控制纹理坐标的生成，coord指定要产生的一个纹理坐标，它可以取GL_S,GL_T,GL_R或GL_Q。pname指定一个纹理坐标生成函数的符号名，它必须是GL_TEXTURE_GEN_MODE,GL_OGJECT_PLANE，GL_EYE_PLANE中指定的任一个。Params指定一个指向纹理生成参数数组的指针。如果参数pname是GL_TEXTURE_GEN_MODE，则该数组必须包括一个单位符号常量，它可以是GL_OBJECT_LINEAR、GL_EYE_LINEAR或GL_SHPERE_MAP。
关闭和启用自动