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Android OpenGL的简单使用（8）：材质和光照

Posted by alonealice on 2020-12-27

光照

观察一个真实的3D物体，在不同的部位必然有不同的光照效果,有的地方暗一点，有的地方亮一点。而这种视觉差异是由光源和材质（物体的材料）共同决定的。光源强度由红、绿、蓝三色光强度共同决定，最终的光照效果由4部分组成:

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- Emitted(光源）
- diffuse(漫反射光）
- specular（镜面反射光）
- ambient(环境光）

Emitted(光源）

物体本身所发射出的光，有的物体不发射光，那就没有这个属性。

diffuse(漫反射光）

漫反射和镜面反射大家应该都知道，初中物理有讲过。
漫反射，是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为“漫反射”或“漫射”。

specular（镜面反射光）

镜面反射是指若反射面比较光滑，当平行入射的光线射到这个反射面时，仍会平行地向一个方向反射出来，这种反射就属于镜面反射。

ambient(环境光）

在环境中进行了多次散射的光，而最终无法分辨其方向的光。

材质

物体的材质属性通过反射不同方向的环境光，漫反射光，镜面光的RGB颜色来表示的。分为四种:

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- 泛射材质
- 漫反射材质
- 镜面反射材质
- 发射材质

光照模型

添加光照效果也就是使用OpenGL的光照模型需要以下步骤

  1. 打开光源
  2. 设置光源的种类、位置和方向(对于平行光源)
  3. 设置顶点的法向量
  4. 设置材质

打开光源

首先需要打开光源的总开关

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//打开光源总开关
gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);12

在OpenGL ES中，仅仅支持有限数量的光源。使用GL_LIGHT0表示第0号光源，GL_LIGHT1表示第1号光源，依次类推，OpenGL至少会支持8个光源 。GL_LIGHT0到GL_LIGHT7。

打开0号光源

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//打开0号光源
gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);

设置光源的种类、位置和方向

设置光源的方法如下

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- glLightfv(int light, int pname, FloatBuffer params)
- glLightfv(int light, int pname, float[] params, int offset)

各个参数含义如下

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- light—————— 光源的序号
- pname—————— 光源属性名称 
- params—————— 光源属性的值(float 数组或是Buffer类型)
- offset——————  偏移量

params有以下几种

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- GL_SPOT_EXPONENT————表示聚光的程度，为零时表示光照范围内向各方向发射的光线强度相同，为正数时表示光照向中央集中，正对发射方向的位置受到更多光照，其它位置受到较少光照。数值越大，聚光效果就越明显

- GL_SPOT_CUTOFF————表示一个角度，它是光源发射光线所覆盖角度的一半，其取值范围在0到90之间，也可以取180这个特殊值。取值为180时表示光源发射光线覆盖360度，即不使用聚光灯，向全周围发射

- GL_CONSTANT_ATTENUATION————表示光线按常量衰减

- GL_LINEAR_ATTENUATION————表示光线按距离线性衰减

- GL_QUADRATIC_ATTENUATION————表示光线按距离以二次函数衰减

- GL_AMBIENT————表示各种光线照射到该材质上，经过很多次反射后最终遗留在环境中的光线强度 

- GL_DIFFUSE————表示光线照射到该材质上，经过漫反射后形成的光线强度 

- GL_SPECULAR————表示光线照射到该材质上，经过镜面反射后形成的光线强度 

- GL_SPOT_DIRECTION————表示一个向量，即光源发射的方向。默认方向是(0.0,0.0,-1.0)

- GL_POSITION————表示光源所在的位置，由四个值（X, Y, Z, W）表示,W为0表示平行光源，表示该光源位于无限远处,类似太阳,W不为0表示位置性光源,（X/W, Y/W, Z/W）表示了光源的位置，可以设置各种衰减因子

上面说的与聚光强度、角度、衰减等有关的属性只适用于位置光源

设置顶点的法向量

设置法向量来确定图元的明暗程度,不过我的例子并没有用到。有两个方法可以为平面设置法线。

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- public void glNormal3f(float nx,float ny,float nz) ————为后续所有平面设置同样的方向，直到重新设置新的法线为止

- public void glNormalPointer(int type,int stride, Buffer pointer)————为某个顶点设置法线

设置材质

设置材质的方法如下

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- public void glMaterialf(int face,int pname,float param)
- public void glMaterialfv(int face,int pname,float[] params,int offset)
- public void glMaterialfv(int face,int pname,FloatBuffer params)

各参数含义如下:

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- face ———— 表示物体的前、后面,有GL_FRONT(正面)，GL_BACK(反面)，GL_FRONT_AND_BACK(正反两面)
- pname ———— 材质属性类型
- param ———— 材质属性类型的对应的值(float 数组或者Buffer 类型)
- offset ———— 偏移量

其中pname 有以下几种

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- GL_AMBIENT————表示各种光线照射到该材质上，经过很多次反射后最终遗留在环境中的光线强度
- GL_DIFFUSE ————表示光线照射到该材质上，经过漫反射后形成的光线强度
- GL_SPECULAR————表示光线照射到该材质上，经过镜面反射后形成的光线强度
- GL_SHININESS————“镜面指数”，取值范围是0到128。该值越小，表示材质越粗糙，点光源发射的光线照射到上面，也可以产生较大的亮点。该值越大，表示材质越类似于镜面，光源照射到上面后，产生较小的亮点 
- GL_EMISSION————该属性由四个值组成，表示一种颜色。OpenGL认为材质本身就微微的向外发射光线，以至于眼睛感觉到它有这样的颜色，但这光线又比较微弱，以至于不会影响到其它物体的颜色 
- GL_COLOR_INDEXES———— 颜色索引

完整实例

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class PointRenderer implements GLSurfaceView.Renderer {


    //顶点数组
    private float[] mArray = {
            -0.5f, -0.5f, 0f,
            -0.5f, 0.5f, 0f,
            0.5f, 0.5f, 0f,
            1f, 0f, 0f,
            1f, -1f, 0f
    };

    // 缓冲区
    private FloatBuffer mBuffer;

    private FloatBuffer amb_light_buffer;
    private FloatBuffer diff_light_buffer;
    private FloatBuffer spec_light_buffer;
    private FloatBuffer pos_light_buffer;
    private FloatBuffer spot_dir_buffer;

    //环境光材质
    float amb_mat[]  = { 0f,  0.3f, 0f, 1f };
    //漫反射光材质
    float diff_mat[]  ={ 0f,  0.3f, 0f, 1f };
    //镜面反射光材质
    float spec_mat[] = { 0f,  0.3f, 0f, 1f };
    //本身颜色
    float emi_mat[] = { 0.0f, 0f, 0.0f, 1.0f };

    //环境光强度
    float[] amb_light = {0f, 0f, 1f, 1f };
    //漫反射光强度
    float[] diff_light = { 1f, 1f, 1f, 1f };
    //镜面反射光强度
    float[] spec_light = {1f, 1f, 1f, 1f };

    //光源位置
    float[] pos_light = {0f, 0.0f, 1f, 0.4f};

    //光源方向
    float[] spot_dir = { 0.0f, 0.0f,  -1f, };

    //镜面指数
    float shini_mat  =  0f;


    private FloatBuffer amb_mat_buffer;
    private FloatBuffer diff_mat_buffer;
    private FloatBuffer spec_mat_buffer;
    private FloatBuffer emi_mat_buffer;

    public PointRenderer() {
        mBuffer = Util.getFloatBuffer(mArray);

        //获取浮点型环境光数据
        amb_light_buffer= Util.getFloatBuffer(amb_light);
        //获取浮点型漫反射光数据
        diff_light_buffer= Util.getFloatBuffer(diff_light);
        //获取浮点型镜面反射光数据
        spec_light_buffer= Util.getFloatBuffer(spec_light);
        //获取浮点型光源位置数据
        pos_light_buffer= Util.getFloatBuffer(pos_light);

        //获取浮点型光源方向数据
        spot_dir_buffer= Util.getFloatBuffer(spot_dir);

        //获取浮点型环境光材质数据
        amb_mat_buffer= Util.getFloatBuffer(amb_mat);
        //获取浮点型漫反射光材质数据
        diff_mat_buffer= Util.getFloatBuffer(diff_mat);
        //获取浮点型镜面反射光材质数据
        spec_mat_buffer= Util.getFloatBuffer(spec_mat);
        //获取浮点型本身颜色数据
        emi_mat_buffer= Util.getFloatBuffer(emi_mat);
    }

    @Override
    public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
        gl.glClearColor(0f, 1f, 0f, 0f);
    }

    @Override
    public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {
        gl.glViewport(0,0,width,height);
    }

    @Override
    public void onDrawFrame(GL10 gl) {
        // 清除屏幕
        gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT);

        //打开光源总开关
        gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);

        //打开0号光源
        gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);

        //设置光源位置
        gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_POSITION, pos_light_buffer);

        //设置光源方向
        gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_SPOT_DIRECTION , spot_dir_buffer);

        //设置光源种类
        gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_AMBIENT ,  amb_light_buffer );
        gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_DIFFUSE , diff_light_buffer );
        gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_SPECULAR, spec_light_buffer);

        //设置聚光强度
        gl.glLightf(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_SPOT_EXPONENT, 64f);

        //设置聚光角度
        gl.glLightf(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_SPOT_CUTOFF, 45f);


        // 允许设置顶点 // GL10.GL_VERTEX_ARRAY顶点数组
        gl.glEnableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);

        // 设置顶点
        gl.glVertexPointer(3, GL10.GL_FLOAT, 0, mBuffer);

        //设置点的颜色为绿色
        gl.glColor4f(1f, 0f, 0f, 0f);

        //设置材质种类
        gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_AMBIENT, amb_mat_buffer);

        gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK,GL10.GL_DIFFUSE, diff_mat_buffer);

        gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK,GL10.GL_SPECULAR, spec_mat_buffer);

        //设置镜面指数
        gl.glMaterialf(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_SHININESS, shini_mat);

        // 绘制面
        gl.glDrawArrays(GL10.GL_TRIANGLE_FAN, 0, 3);


        // 禁止顶点设置
        gl.glDisableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
    }
}



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