[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。

// 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;
}