OpenGL与3D开发-旋转光照透明

旋转、光照、透明

1、旋转

1.1、旋转的单位是角度值

1.2 旋转的是整个坐标系

glRotatef()方法的语法格式如下：glRotatef (float angle, float x, float y, float z)

其中，参数angle通常是一个变量，表示对象转过的角度；x表示X轴的旋转方向（值为1表示顺时针、-1表示逆时针方向、0表示不旋转）；y表示Y轴的旋转方向（值为1表示顺时针、-1表示逆时针方向、0表示不旋转）；z表示Z轴的旋转方向（值为1表示顺时针、-1表示逆时针方向、0表示不旋转）。

例如，要将对象经过X轴旋转n角度，可以使用下面的代码：gl.glRotatef(n, 1, 0, 0);

注意：旋转遵循右手规则，如果向量（x，y，z）点正对着用户的话，旋转是逆时针的。

1.3 如果进行一系列旋转操作，顺序很重要

如果你要还原一个旋转操作，只需要把角度值或者三个坐标值取负就可以，例如glRotatef(angle, x, y, z) 可以被glRotatef(angle, -x, -y, -z)或者glRotatef(-angle, x, y, z)复位。

但是如果你像下面这样做了一系列的旋转操作：

gl.glRotatef(90f, 1.0f, 0.0f, 0.0f);

gl.glRotatef(90f, 0.0f, 1.0f, 0.0f);

gl.glRotatef(90f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

取负：

gl.glRotatef(90f, -1.0f, 0.0f, 0.0f);

gl.glRotatef(90f, 0.0f, -1.0f, 0.0f);

gl.glRotatef(90f, 0.0f, 0.0f, -1.0f);

还需要逆序执行，如下：

gl.glRotatef(90f, 0.0f, 0.0f, -1.0f);

gl.glRotatef(90f, 0.0f, -1.0f, 0.0f);

gl.glRotatef(90f, -1.0f, 0.0f, 0.0f);

1.4 平移和旋转

由于平移和旋转操作都是基于网格自己的坐标系统，所以记住平移和旋转操作的顺序是很重要的事情。

如果先对网格进行了平移操作，然后又进行旋转，那么平移是基于当前的网格坐标状态，而旋转则是基于新的坐标。

如果先进行了旋转操作，然后进行平移，那么平移操作将会在旋转之后的坐标基础上进行。

2、缩放

public abstract void glScalef (float x, float y, float z)

缩放，可沿任意坐标轴方向上独立进行。缩放和所有的顶点都乘以一个缩放因子的效果是一样的。在下图中，我们用gl.glScalef(2f, 2f, 2f)进行缩放，这也就相当于所有的顶点坐标都乘以2.

2.1 平移和缩放

缩放和平移的相互顺序也很重要。如果在缩放之前进行了平移，那么平移的结果不受影响。如下面的例子，我们先平移了两个单位，然后缩放0.5个单位。

gl.glTranslatef(2, 0, 0);

gl.glScalef(0.5f, 0.5f, 0.5f);

但是如果先进行了缩放，然后平移，会得到一个完全不同的结果。因为先缩放了网格的坐标系统，然后才平移，所以平移操作不会和之前那样移动同样的尺度。所以如果先缩放了0.5个单位，然后平移两个单位，结果将会表现为像平移了一个单位一样。

gl.glScalef(0.5f, 0.5f, 0.5f);

gl.glTranslatef(2, 0, 0);

3、 光照

3.1、真实世界中的光照

我们知道，在黑暗中，当我们将手电筒对准某个物体时，我们所看到的该物体的“亮度”有3种：

• 物体表面发生镜面反射部分（Specular），一般是白色。

• 物体表面发生漫反射部分（Diffuse），一般是物体表面的颜色。

• 物体表面没有照射到光的部分，即通过环境光（Ambient）照射，在黑暗中环境光是黑色。

为了使用程序效果更加美观、逼真，还可以让其模拟光照效果。

在OpenGL光照模型中，除非一个物体自己会发光，否则它将受到3种不同类型的光的照射：环境光(ambient)、散射光(diffuse)和镜面光(specular)。

3.2、 光照类型：

???? 环境光：环境光并不来自任何特定的方向。这是基本的照明水平，似乎遍布整个场景。它似乎不是来自任何光源的光，因为它在到达你之前已经反弹了很多次。光线没有方向可言。由环境光所照射的物体在所有方向的表面都是均匀照亮的。一种普通的光线，光线会照亮整个场景，即使对象背对着光线也可以。

???? 散射光：散射光具有方向性，来自于一个特定的方向，它根据入射光线的角度在表面上均匀地反射开来。这是直接从一个物体上跳弹后到达您眼睛中的光，物体的亮度随着它与照明的角度而变化，面向灯光的方向比其他角度更加明亮

????镜面光：镜面光具有很强的方向性，但它的反射角度很锐利，只沿一个特定的方向反射。与散射照明不同，当我们相对于物体移动时，镜面光照也会发生改变。

在OpenGL中，添加光照效果，通常分为以下两个步骤进行

1. 设置光源

2. 设置材料

3.3 光源

三种主要类型的光源：平行光，点光源，聚光灯

OpenGL可以同时为我们提供8个有效的光源。也就是说最多可以同时启用8个光源。它们分别是GL_LIGHT0~7；其中，GL_LIGHT0是最特殊的一个光源，该光源的默认颜色为白色，即RGBA为（1.0,1.0,1.0,1.0），漫反射和镜面反射也为白色；其他的光源默认为黑色，即RGBA为（0.0,0.0,0.0,1.0）。

开启光源

//启用光照功能
gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);

//开启0号灯
gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);

设置各种反射光参数

通过GL10提供的glLightfv()方法实现。

public void glLightfv(int light,int pname, FloatBuffer params)

public void glLightfv(int light,int pname,float[] params,int offset)

public void glLightf(int light,int pname,float param)

???? light: 指光源的序号，OpenGL ES可以设置从0到7共八个光源。

???? pname: 光源参数名称，可以有如下：

//聚光灯

 GL_SPOT_EXPONENT：设置聚光指数

GL_SPOT_CUTOFF：设置聚光灯截止角

 GL_SPOT_DIRECTION：设置聚光方向

//设置光线衰减系数

GL_CONSTANT_ATTENUATION：表示光线按常熟衰减(与距离无关)

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

//为光源设置颜色

GL_AMBIENT：用于设置环境光颜色

GL_DIFFUSE：用于设置漫反射光颜色

GL_SPECULAR：用于设置镜面反射光颜色

//设置光源位置

GL_POSITION：用于设置光源位置

params: 参数的值（数组或是Buffer类型），数组里面含有4个值分别表示R,G,B,A。

设置光源的位置

可以选择让光源位于无限远处，也可以让它靠近场景。第一种类型称为方向性光源。由于光源位于无限远处，当光线到达物体表面时，可以认为所有的光线都是平行的。方向性光源的一个现实世界的例子就是太阳。第二种类型称为位置性光源，它决定了光线的方向。台灯就是一个位置性光源的例子。

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, sun_light_position);

???? GL_POSITION属性。表示光源所在的位置。由四个值（X, Y, Z, W）表示。

• 方向性光源（Directional Light） 第四个值W为零，则表示该光源位于无限远处，前三个值表示了它所在的方向。通常，太阳可以近似的被认为是方向性光源。

• 位置性光源 (Positional Light) 第四个值W不为零，则X/W, Y/W, Z/W表示了光源的位置。这种光源称为位置性光源。

????OpenGL设置光照

1. 平行光将 w 设为0.0，(x,y,z)为平行光的方向

2. 对于点光源，将 w 设成非0值，通常设为1.0. (x,y,z)为点光源的坐标位置。

3. 将点光源设置成聚光灯，需要同时设置 GL_SPOT_DIRECTION,GL_SPOT_CUTOFF 等参数，GL_POSITION的设置和点光源类似：将 w 设成非0值，通常设为1.0. (x,y,z)为点光源的坐标位置。

对于GL_SPOT_DIRECTION参数，设置聚光的方向(x,y,z)

GL_SPOT_CUTOFF 参数设置聚光等发散角度（0到90度）

GL_SPOT_EXPONENT 给出了聚光灯光源汇聚光的程度，值越大，则聚光区域越小（聚光能力更强）。

4、材料

同样是一束光，照在不同颜色材料的物体上面，我们所看到的是不同的，反射出来的不仅仅颜色不同，光泽也是不同的。换句话说，不同的材质对最终的渲染效果影响很大！

材料的属性设置和光源的设置有些类似，用到的函数

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)

???? face: 在OpenGL ES中只能使用GL_FRONT_AND_BACK，表示修改物体的前面和后面的材质光线属性。

???? pname: 参数类型，这些参数用在光照方程。

可以取如下值：

GL_AMBIENT

GL_DIFFUSE

GL_SPECULAR

GL_EMISSION

GL_SHININESS

???? param：指定反射的颜色。

5、光照计算

环境光= 光源的环境光颜色 * 物体的环境材质颜色

例如，我们有个红色的物体和一个暗白色的环境照明。我们假设三个颜色（红，绿，蓝）的数组存储颜色，使用RGB颜色模型：

// 最终颜色 = 红色 * 暗白色 = 暗红色

final color = {1, 0, 0} * {0.1, 0.1, 0.1} = {0.1, 0.0, 0.0}

漫反射颜色 = 光源的漫反射颜色 * 物体的漫发射材质颜色 * 朗伯因子 * 亮度

补充：

第一步：计算朗伯因子（lambert factor）

我们最重要的是需要弄清楚表面和光线之间的角度。面向光直射的表面因该全强度照射，而倾斜的表面因该得到较少的照射，比较合适的计算方式是使用Lambert的余弦定律。

如果我们有两个向量，一个是从光到表面上的一个点，第二个是表面的法线（如果表面是平面，则表面法线是指向上或垂直于该表面的矢量），然后我们可以通过对每个向量进行归一化来计算余弦，使其长度为1，然后通过计算两个向量的点积（数量积）。

这个操作可以由OpenGL ES 2轻松完成。

// 光线向量 = 光源位置 - 物体位置
light vector = light position - object position
// 余弦 = 物体法线和归一化后的光线向量的点积
cosine = dot product(object normal, normalize(light vector))
// 朗伯因子 = 取余弦和0中最大的
lambert factor = max(cosine, 0)

首先通过光源位置减去物体位置得到光线向量，然后通过物体法线和光向量的点积得到余弦。我们标准化光向量，这意味着改变它的长度，长度为1，这个物体的法线长度也是1，两个归一化向量的点积得到他们之间的余弦。因为点积的取值范围是-1_{1，所以我们将其限制到0}1。

例如：处在原点的平面，其表面法线指向上

光的位置在{0, 10, -10}，我们想要计算在原点的光。

// 光线向量 
light vector = {0, 10, -10} - {0, 0, 0} = {0, 10, -10} 

// 物体法线
object normal = {0, 1, 0}

简洁的说，如果们沿着光线矢量走，我们到达光源的位置。为了归一化矢量，我们将每个分量除以矢量长度：

// 光线向量长度 = 平方根(0*0 + 10*10 + (-10 * -10)) = 平方根(200) = 14.14 
light vector length = square root(0*0 + 10*10 + (-10 * -10)) = square root(200) = 14.14 
// 归一化光线向量
normalize light vector = {0, 10/14.14, -10/14.14} = {0, 0.707, -0.707}

然后我们计算点积：
// 点积 
dot product({0, 1, 0}, {0, 0.707, -0.707}) = (0 * 0) + (1 * 0.707) + (0 * -0.707) = 0.707

最后我们限制范围：
// 朗伯因子 
lambert factor = max(0.707, 0) = 0.707

第二步：计算哀减系数

接下来，我们需要计算哀减。来自光源的实际光哀减遵循反平方定律

也可以这样表示：

// 亮度 = 1 / 距离的平方 
luminosity = 1 / (distance * distance)

结合上面的列子，因为我们有光线长度为14.14，这儿我们最终的亮度：

luminosity = 1 / (14.14 * 14.14) = 1 / 200 = 0.005

我们可以看出距离越远，亮度强度越小

第三步：计算最终颜色

现在我们知道了余弦和哀减度，我们可以计算我们最终的亮度：

// 最终颜色 = 材质颜色 * （光的颜色 * 朗伯因子 * 亮度）
final color = material color * (light color * lambert factor * luminosity)

继续我们之前的红色物体和白光源的例子，这儿计算最终颜色：

final color = {1, 0, 0} * ({1, 1, 1} * 0.707 * 0.005) = {1, 0, 0} * {0.0035, 0.0035, 0.0035} = {0.0035, 0, 0}

镜面反射颜色 = 光源的镜面光的颜色 * 物体的镜面材质颜色 * SpecularFactor

注：SpecularFactor(镜面反射因子) = power(max(0,dot(N,H)),shininess)

平行光(正常光)，光照效果=环境颜色 + 漫反射颜色 + 镜面反射颜色

点光源，光照效果=环境颜色 + （漫反射颜色 + 镜面反射颜色）× 衰减因子

聚光灯，光照效果=环境颜色 + （漫反射颜色 + 镜面反射颜色）× 衰减因子 × 聚光灯效果

6、透明

在游戏中，经常需要应用透明效果，使用OpenGL ES实现简单的透明效果也比较简单，只需要应用以下代码就可以实现。

gl.glDisable(GL10.GL_DEPTH_TEST);        //关闭深度测试

gl.glEnable(GL10.GL_BLEND);         	//打开混合

gl.glBlendFunc(GL10.GL_SRC_ALPHA, GL10.GL_ONE); //使用alpha通道值进行混色，从而达到透明效果

说明：实现透明效果时，需要关闭深度测试，并且打开混合效果，然后才能使用GL10类的glBlendFunc()方法进行混色，从而达到透明效果。

6.1、混合

????混合是什么呢？混合就是把两种颜色混在一起。具体一点，就是把某一像素位置原来的颜色和将要画上去的颜色，通过某种方式混在一起，从而实现特殊的效果。

???? 假设我们需要绘制这样一个场景：透过红色的玻璃去看绿色的物体，那么可以先绘制绿色的物体，再绘制红色玻璃。在绘制红色玻璃的时候，利用“混合”功能，把将要绘制上去的红色和原来的绿色进行混合，于是得到一种新的颜色，看上去就好像玻璃是半透明的。

????注意：只有在RGBA模式下，才可以使用混合功能，颜色索引模式下是无法使用混合功能的。

6.2、源因子和目标因子

???? 把将要画上去的颜色称为“源颜色”，把原来的颜色称为“目标颜色”。OpenGL 会把源颜色和目标颜色各自取出，并乘以一个系数（源颜色乘以的系数称为“源因子”，目标颜色乘以的系数称为“目标因子”），然后相加，这样就得到了新的颜色

???? 假设源颜色的四个分量（指红色，绿色，蓝色，alpha值）是(Rs, Gs, Bs, As)，目标颜色的四个分量是(Rd, Gd, Bd, Ad)，又设源因子为(Sr, Sg, Sb, Sa)，目标因子为(Dr, Dg, Db, Da)。则混合产生的新颜色可以表示为：(RsSr+RdDr, GsSg+GdDg, BsSb+BdDb, AsSa+AdDa)当然了，如果颜色的某一分量超过了1.0，则它会被自动截取为1.0，不需要考虑越界的问题。

6.3 、glBlendFunc函数

glBlendFunc有两个参数，前者表示源因子，后者表示目标因子

???? GL_ZERO：表示使用0.0作为因子，实际上相当于不使用这种颜色参与混合运算。

???? GL_ONE：表示使用1.0作为因子，实际上相当于完全的使用了这种颜色参与混合运算。

???? GL_SRC_ALPHA：表示使用源颜色的alpha值来作为因子。GL_DST_ALPHA：表示使用目标颜色的alpha值来作为因子。

???? GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA：表示用1.0减去源颜色的alpha值来作为因子。

???? ​GL_ONE_MINUS_DST_ALPHA：表示用1.0减去源颜色的alpha值来作为因子。

???? GL_ONE_MINUS_DST_ALPHA：表示用1.0减去目标颜色的alpha值来作为因子。