阅读《计算机图形学编程（使用OpenGL和C++）》12 - 光照

现在最常见的光照模型称为“ADS”模型，因为它们基于标记为A、D和S的3种类型的反射。

●环境光反射（Ambient reflection）模拟低级光照，影响场景中的所有物体。

●漫反射（Diffuse reflection）根据光线的入射角度调整物体亮度。

●镜面反射（Specular reflection）用以展示物体的光泽，通过在物体表面上，光线最直接地反射到我们的眼睛的位置，策略性地放置适当大小的高光来实现。

ADS模型可用于模拟不同的光照效果和各种材质。

场景的绘制最终是由片段着色器为屏幕上的每个像素输出颜色而实现的。使用ADS光照模型需要指定由于像素的RGBA输出值上的光照而产生的分量。因素包括：

●光源类型及其环境、漫反射和镜面反射特性；

●对象材质的环境、漫反射和镜面反射特征；

●对象的材质指定为“光泽”；

●光线照射物体的角度；

●从中查看场景的角度。

光源有许多类型，每种光源具有不同的特性，需要不同的步骤来模拟其效果。常见光源类型有：

全局环境光是最简单的光源模型。它没有光源位置——无论场景中的对象在何处，其上的每个像素都有着相同的光照。仅具有环境光反射分量，用RGBA值设定；它没有漫反射或镜面反射分量。例如，全局环境光可以定义如下：

float globalAmbient[4] = { 0.7f, 0.7f, 0.7f, 1.0f };

RGBA的取值范围为0～1，全局环境光通常被建模为偏暗的白光，其中RGB各值设为0～1的相同的小数，alpha设置为1。

定向光或远距离光也没有源位置，但它具有方向。它可以用来模拟光源距离非常远，以至于光线接近平行的情况，例如阳光。建模定向光需要指定其方向（以向量形式）及其环境、漫反射和镜面特征（以RGBA值）。指向Z轴负方向的红色定向光可以指定如下：

float lightAmbient[4] = { 0.1f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
float lightDiffuse[4] = { 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
float lightSpecular[4] = { 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
float lightSpecular[3] = { 0.0f, 0.0f, -1.0f};

位置光在3D场景中具有特定位置。靠近场景的光源，例如台灯，蜡烛等。位置光还可以包含衰减因子，以模拟它们的强度随距离减小的程度。与我们看到的其他类型的光源一样，位置光具有指定为RGBA值的环境光反射、漫反射和镜面反射特性。位置（5,2,−3）处的红色位置光可以指定如下例：

float lightAmbient[4] = { 0.1f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
float lightDiffuse[4] = { 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
float lightSpecular[4] = { 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
float lightSpecular[3] = { 5.0f, 2.0f, -3.0f};

衰减因子有多种建模方式。其中一种方式是使用恒定、线性和二次方（分别称为kc, kl和kq）衰减，并引入非负可调参数。这些参数与离光源的距离（d）结合进行计算：

 将这个因子与光的强度相乘可以使距光更远时，光的强度衰减更多。注意，kc应当永远设置为大于等于1的值，从而使得衰减因子落入[0…1]区间，并当d增大时接近于0。

聚光灯（spotlight）同时具有位置和方向。其“锥形”效果可以使用0°～90°的截光角θ来模拟，指定光束的半宽度，并使用衰减指数来模拟随光束角度的强度变化。如图所示，我们确定聚光灯方向与从聚光灯到像素的向量之间的角度φ。当φ小于θ时，我们通过将φ的余弦提高到衰减指数来计算强度因子（当φ大于θ时，强度因子设置为0）。结果是强度因子的范围为0～1。衰减指数会影响当角度φ增加时，强度因子趋于0的速率。然后将强度因子乘以光的强度以模拟锥形效果。

通过指定4个值（我们已经熟悉其中3个值——环境光、漫反射和镜面RGB颜色），可以在ADS光照模型中模拟材质。第四种叫作光泽，它被用来为所选材质建立一个合适的镜面高光。 

透明度由RGBA标准中的第四个（alpha）通道的不透明度来实现。取值为1.0是表示完全不透明，取值为0时表示完全透明。

预定义一些可供选择的材质，在使用时会很方便。因此我们需要在Utils.cpp文件中添加如下代码：

 1 // 黄金材质 — 环境光、漫反射、镜面反射和光泽
 2 float * Utils::goldAmbient()
 3 {
 4     static float a[4] = { 0.2473f, 0.1995f, 0.0745f, 1 };
 5     return (float*)a;
 6 }
 7 
 8 float * Utils::goldDiffuse()
 9 {
10     static float a[4] = { 0.7516f, 0.6065f, 0.2265f, 1 };
11     return (float*)a;
12 }
13 
14 float * Utils::goldSpecular()
15 {
16     static float a[4] = { 0.6283f, 0.5559f, 0.3661f, 1 };
17     return (float*)a;
18 }
19 
20 float Utils::goldShininess()
21 {
22     return 51.2f;
23 }
24 // 白银材质 — 环境光、漫反射、镜面反射和光泽
25 float * Utils::silverAmbient()
26 {
27     static float a[4] = { 0.1923f, 0.1923f, 0.1923f, 1 };
28     return (float*)a;
29 }
30 
31 float * Utils::silverDiffuse()
32 {
33     static float a[4] = { 0.5075f, 0.5075f, 0.5075f, 1 };
34     return (float*)a;
35 }
36 
37 float * Utils::silverSpecular()
38 {
39     static float a[4] = { 0.5083f, 0.5083f, 0.5083f, 1 };
40     return (float*)a;
41 }
42 
43 float Utils::silverShininess()
44 {
45     return 51.2f;
46 }
47 // 青铜材质 — 环境光、漫反射、镜面反射和光泽
48 float * Utils::bronzeAmbient()
49 {
50     static float a[4] = { 0.2125f, 0.1275f, 0.0540f, 1 };
51     return (float*)a;
52 }
53 
54 float * Utils::bronzeDiffuse()
55 {
56     static float a[4] = { 0.7140f, 0.4284f, 0.1814f, 1 };
57     return (float*)a;
58 }
59 
60 float * Utils::bronzeSpecular()
61 {
62     static float a[4] = { 0.3936f, 0.2719f, 0.1667f, 1 };
63     return (float*)a;
64 }
65 
66 float Utils::bronzeShininess()
67 {
68     return 25.6f;
69 }