Chai 3D之燈光與陰影

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??光是人類可以視覺感知的任何事物的視覺表示背后的最重要的思想。光感知的概念在于，你所看到的不是基于你正在觀看的物體，而是基于光源投射并從這些物體反射的光線。重要的是要注意，你的眼睛不會(huì)直接看到物體，因?yàn)槟愕难劬瓦@些物體之間沒有物理相關(guān)性。

??當(dāng)然，所有這些都是理論上的。我們使用術(shù)語光線只是抽象出更復(fù)雜的機(jī)制。

??光線通常來自能量來源，例如太陽或房間內(nèi)的燈。重要的是要注意，從理論上講，光線沿直線傳播，當(dāng)您在視覺上感知物體時(shí)，您的眼睛吸收的是該物體反射或散射的光線。

??以下術(shù)語描述了在對(duì)需要光源的 3D 應(yīng)用程序進(jìn)行編程時(shí)必須了解的不同類型的光。了解每種類型的光在渲染的 3D 對(duì)象表面上產(chǎn)生的效果非常重要。創(chuàng)建這些術(shù)語是因?yàn)樾枰枋龉鈱?duì)物體產(chǎn)生的某些效果，以便提煉出光的復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算。然而，這并不意味著這些確切類型的光實(shí)際上存在于自然界中，我們只是將它們視為光投射在不同材料上時(shí)可能產(chǎn)生的效果的抽象。計(jì)算光的真實(shí)機(jī)制及其在自然界中的工作方式將非常耗時(shí)，因此，OpenGL 通常采用這組常見的光類型：環(huán)境光、漫射光和鏡面光。****光與其他光不同，是物體發(fā)出的光的類型，而其他三種類型的光通常用于描述光源。讓我們詳細(xì)看看這些類型的光：

將環(huán)境、漫反射和鏡面反射分量組合在一起

??被環(huán)境光照亮的 3D 球體看起來只有 2D。環(huán)境光是由照明區(qū)域周圍（或位于照明區(qū)域內(nèi)部）的所有光源****光而產(chǎn)生的平均光量。當(dāng)陽光穿過房間的窗戶時(shí)，它們會(huì)打到墻壁上，反射并散射到各個(gè)不同的方向，平均照亮整個(gè)房間。這種視覺質(zhì)量由環(huán)境光描述。僅環(huán)境光無法傳達(dá)在 3D 空間中設(shè)置的對(duì)象的完整表示，因?yàn)樗许旤c(diǎn)都由相同的顏色均勻照明，并且對(duì)象看起來像是二維的，如上圖所示。盡管顯示的對(duì)象實(shí)際上是一個(gè) 3D 球體，但當(dāng)僅由環(huán)境光照亮?xí)r，它在屏幕上看起來是平坦的。

??紅色的漫射光投射到定義其 3D 形狀的黑色物體上。

??漫射光表示光源投射的定向光。漫射光可以描述為在空間中具有位置并且來自單個(gè)方向的光。手電筒稍微高于它所照亮的物體，可以被認(rèn)為是****漫射光。在上圖中，投射紅色漫射光的光源位于物體的左側(cè)。當(dāng)漫射光接觸物體表面時(shí)，它會(huì)在該表面上均勻地散射和反射。

??為了演示環(huán)境光和漫射光如何協(xié)同工作以創(chuàng)建看起來更逼真的對(duì)象，請(qǐng)想象一個(gè) 3D 球體，其上散布著深紅色的環(huán)境光：

??現(xiàn)在，通過將漫射光源放置在球體的右側(cè)，我們得到以下結(jié)果：

??請(qǐng)注意球體現(xiàn)在看起來是 3D 的。

??除了環(huán)境光層和漫反射層外，此處還顯示鏡面反射（或鏡面反射高光）。您可以觀察到鏡面反射光源屬性如何大大增強(qiáng)對(duì)象的 3D 表示。 就像漫射光一樣，鏡面反射光是一種定向光。它來自一個(gè)特定的方向。

??兩者之間的區(qū)別在于鏡面光以銳利而均勻的方式從表面反射。鏡面反射光的渲染取決于觀察者和光源之間的角度。從觀察者的角度來看，鏡面反射光會(huì)在被觀察對(duì)象的表面上創(chuàng)建一個(gè)突出顯示的區(qū)域，稱為鏡面反射或鏡面反射。鏡面反射的強(qiáng)度取決于構(gòu)成物體的材料以及包含鏡面反射光分量的光源的強(qiáng)度。

??自發(fā)光與之前解釋的任何其他光分量略有不同。自發(fā)光光組件負(fù)責(zé)物體材質(zhì)反射或吸收光的屬性。當(dāng)應(yīng)用于對(duì)象的材質(zhì)時(shí)，自發(fā)光光的作用是模擬從物體反射的光。

??由于周圍沒有其他光源，僅應(yīng)用自發(fā)光光分量的物體顏色與僅應(yīng)用環(huán)境光的對(duì)象具有相同的視覺質(zhì)量。然而，任何額外的漫射光或鏡面光如何與僅施加自發(fā)光光的同一物體的表面反應(yīng)的機(jī)制是不同的。讓我們考慮一個(gè)平均發(fā)出綠色的物體。在下圖中，自發(fā)光分量應(yīng)用于球體。如您所見，結(jié)果類似于在上面示例中將環(huán)境光應(yīng)用于同一球體所創(chuàng)建的效果。

??反射綠色自發(fā)光光的 3D 球體。在將其他光源引入場景之前，該效果類似于環(huán)境光。

??如您所知，光源可以分配所有三個(gè)組件，即環(huán)境光、漫反射光和鏡面反射光組件。讓我們看看當(dāng)我們在上面的場景中應(yīng)用光源時(shí)會(huì)發(fā)生什么。我們應(yīng)用的光源具有以下屬性：紅色環(huán)境光、紅色漫射光和白色鏡面光。

??如果上面的球體沒有發(fā)出綠色的光，它就會(huì)呈現(xiàn)紅色。但是，自發(fā)光的綠色分量被施加到它上面。當(dāng)光源的“光線”照射到球體表面時(shí)，“光源”和“目標(biāo)”顏色融合在一起，產(chǎn)生淡黃色的表面。光源的鏡面反射光分量為白色。鏡面反射的中心中心是白色的，但是當(dāng)它擴(kuò)散時(shí)，它與綠色和紅色融合，在黃色（即綠紅色）上增加。同樣，請(qǐng)注意，如果沒有將自發(fā)光光應(yīng)用于球體，它看起來就像上面鏡面反射部分下顯示的球體一樣，全部為紅色，帶有白色鏡面反射。

??本教程的以下部分將介紹 OpenGL 著色多邊形以模擬光線的方式，以及如何將光源屬性分配給光源和材質(zhì)。

??為了計(jì)算 3D 物體的陰影，CHAI3D 需要知道落在其上的光線的強(qiáng)度、方向和顏色。這些屬性由世界中的光對(duì)象提供。所有光源的基色和強(qiáng)度設(shè)置相同，但方向取決于您使用的光源類型。此外，光線可能會(huì)隨著與光源的距離而減弱。下面介紹了 CHAI3D 中可用的三種類型的光源。

CHAI3D 光源

??位置光位于空間中的某個(gè)點(diǎn)，并平等地向各個(gè)方向發(fā)出光。光線照射表面的方向是從接觸點(diǎn)回到光對(duì)象中心的線。強(qiáng)度隨著與光的距離而減小，在指定范圍內(nèi)達(dá)到零。點(diǎn)光源可用于模擬場景中的燈和其他局部光源。

using namespace chai3d;
// create a light source
light = new cPositionalLight(world);
// attach light to camera
world->addChild(light);
// enable light source
light->setEnabled(true);
// position the light source
light->setLocalPos(1.0, 1.0, 0.5);

??定向光源沒有任何可識(shí)別的光源位置，因此光源對(duì)象可以放置在世界任何地方。世界上所有的物體都被照亮，就好像光線總是來自同一個(gè)方向一樣。光與目標(biāo)物體的距離未定義，因此光不會(huì)減弱。

??定向光源表示來自活動(dòng)工作區(qū)范圍之外的位置的大而遠(yuǎn)的光源。在逼真的場景中，它們可以用來模擬太陽或月亮。在抽象的模擬世界中，它們可以成為一種有用的方法，可以為對(duì)象添加令人信服的陰影，而無需準(zhǔn)確指定光線的來源。在場景視圖中檢查對(duì)象時(shí)（例如，查看其網(wǎng)格、著色器和材質(zhì)的外觀），定向光通常是了解其著色顯示方式的最快方法。對(duì)于這樣的測試，您通常對(duì)光線來自哪里不感興趣，而只是想看到物體看起來“固體”并尋找模型中的毛刺。

using namespace chai3d;
// create a directional light source
light = new cDirectionalLight(world);
// insert light source inside world
world->addChild(light);
// enable light source
light->setEnabled(true);
// define direction of light beam
light->setDir(-1.0, 0.0, 0.0);

??與位置光源一樣，聚光燈具有光源落落的指定位置和范圍。但是，聚光燈被限制在一個(gè)角度，導(dǎo)致錐形照明區(qū)域。圓錐體的中心指向光源對(duì)象的向后 （X） 方向。

??聚光燈通常用于人造光源，例如可以連接到觸覺工具（例如模擬內(nèi)窺鏡）的手電筒。

using namespace chai3d;
// create a light source
light = new cSpotLight(world);
// attach light to camera
world->addChild(light);
// enable light source
light->setEnabled(true);
// position the light source
light->setLocalPos(0.6, 0.6, 0.5);
// define the direction of the light beam
light->setDir(-0.5,-0.5,-0.5);

燈光與陰影

??陰影映射或投影陰影是將陰影添加到 3D 計(jì)算機(jī)圖形的過程。陰影是通過測試像素從光源中是否可見來創(chuàng)建的，方法是將其與以紋理形式存儲(chǔ)的光源視圖的 z 緩沖區(qū)或深度圖像進(jìn)行比較。

從光源生成的陰影貼圖

??如果你從光源向外看，你能看到的所有物體都會(huì)出現(xiàn)在光線中。然而，這些物體后面的任何東西都會(huì)在陰影中。這是用于創(chuàng)建陰影貼圖的基本原則。渲染光源的視圖，存儲(chǔ)它看到的每個(gè)表面的深度（陰影貼圖）。接下來，渲染常規(guī)場景，將繪制的每個(gè)點(diǎn)的深度（好像它被光而不是眼睛看到）與此深度圖進(jìn)行比較。

??在 CHAI3D 中，聚光燈支持陰影貼圖。在下面的示例中，我們說明了如何設(shè)置陰影貼圖。

using namespace chai3d;
// create a light source
light = new cSpotLight(world);
// attach light to camera
world->addChild(light);
// enable light source
light->setEnabled(true);
// position the light source
light->setLocalPos(0.6, 0.6, 0.5);
// define the direction of the light beam
light->setDir(-0.5,-0.5,-0.5);
// set light cone half angle
light->setCutOffAngleDeg(30);
// enable this light source to generate shadows
light->setShadowMapEnabled(true);

??為了最大限度地提高陰影的質(zhì)量，重要的是 de 分配盡可能小的截止角度。此外，可以通過提高陰影貼圖的分辨率來調(diào)整陰影貼圖的質(zhì)量。較大的陰影貼圖顯然需要更長的時(shí)間來渲染，并且在低性能圖形卡上可能不受支持。

using namespace chai3d;
// (1) set the resolution of the shadow map - low quality
light->m_shadowMap->setQualityLow();
// (2) set the resolution of the shadow map - medium quality
light->m_shadowMap->setQualityMedium();
// (3) set the resolution of the shadow map - high quality
light->m_shadowMap->setQualityHigh();

??渲染攝像機(jī)場景時(shí)，首先更新所有陰影貼圖非常重要。如果使用多個(gè)攝像機(jī)和多個(gè)幀緩沖區(qū)（窗口顯示）渲染場景，則只需計(jì)算一次陰影貼圖。

using namespace chai3d;
// update shadow maps
world->updateShadowMaps(false, mirroredDisplay);
// render scene
camera->renderView(windowW, windowH);

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