CG实验6 简单光照与材质

1.实验目的:

  • 通过示范代码1,理解简单光照明模型的基本原理与实现;
  • 通过示范代码2和太阳系示范代码,学习与掌握OpenGL光照与材质设置与使用方法。

2.实验内容:

在示范代码1基础上,按以下要求修改:

(1) 阅读和修改示范代码中的有关参数,产生不同光照效果,观察显示效果。挑选两张修改的效果图保存为图1-2,与对应修改的代码一起保存至word实验文档中(15分钟);

(2) 将代码中的球面改为圆锥面,将圆锥面的光照效果图存为图3,与对应修改的代码一起保存至word实验文档中(25分钟);

在示范代码2的基础上,按以下要求完成任务:

(3) 阅读和修改示范代码2中的有关参数,产生不同光照效果,观察显示效果。挑选两张修改的效果图保存为图4-5,与对应修改的代码一起保存至word实验文档中(15分钟);

(4)参考太阳系示范代码,该代码显示一个简单的太阳系模型,尝试为其增加光照与材质效果,挑选两张修改的效果图保存为图6-7,与对应修改的代码一起保存至word实验文档中(25分钟);

(5) 整理word实验文档,将其命名为“序号-姓名-Prj6.doc”,电子版提交至雨课堂,A4打印稿下一次课前或实验课前提交。

3.实验原理:

Phong光照明模型是由物体表面上一点P反射到视点的光强I为环境光的反射光强Ie、理想漫反射光强Id、和镜面反射光Is的总和,即 I=Iaka+IpKd(LN)+IpKs(RV)n I = I_a k_a + I_p K_d(LN) + I_p K_s(RV)^n I=Ia​ka​+Ip​Kd​(LN)+Ip​Ks​(RV)n 其中R,V,N为单位矢量;IpI_pIp​为点光源发出的入射光强;IaI_aIa​为环境光的漫反射光强;KaK_aKa​环境光的漫反射系数;KdK_dKd​漫反射系数( )取决于表面的材料;KsK_sKs​镜面反射系数( );n幂次,用以模拟反射光的空间分布,表面越光滑,n越大。 在用Phong模型进行真实感图形计算时,对物体表面上的每个点P,均需计算光线的反射方向R,再由V计算 。为减少计算量,我们可以作如下假设:a)光源在无穷远处,即光线方向L为常数;b)视点在无穷远处,即视线方向V为常数;c)用 近似 。这里H为L和V的角平分向量, 。在这种简化下,由于对所有的点总共只需计算一次H的值,节省了计算时间。结合RGB颜色模型,Phong光照明模型的最终形式详见教材公式(8.21)。

示范代码1中,光源在无穷远处,光线方向为单位向量L(0.5, 0.5, 0.707),视点在无穷远处,视线方向V为(0, 0, 1)。

4.示范代码:

(1) 示范代码1-球面简单光照模型效果图

#include <GL/glut.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>

struct Vector
{
	float fx, fy, fz;
};

struct Color
{
	float Ir, Ig, Ib;
};

float KaIa;//环境光强度
float Kd, n;
Vector H,light;
Color mLight, mColor;//mLight表示漫反射光与镜面反射光强度
GLboolean bLight = false;

void CirclePt(int x0, int y0, int x, int y, Color mColor)
{
	glColor3ub (mColor.Ir, mColor.Ig, mColor.Ib);
	glBegin(GL_POINTS);
	glVertex2i ( x+x0, y+y0);//x,y
	glVertex2i ( -x+x0, y+y0);//-x,y
	glVertex2i ( x+x0, -y+y0);//x, -y
	glVertex2i ( -x+x0, -y+y0);//-x, -y

	glVertex2i ( y+x0, x+y0);//y, x
	glVertex2i ( y+x0, -x+y0);//y, -x
	glVertex2i ( -y+x0, x+y0);//-y, x
	glVertex2i ( -y+x0,-x+y0);//-y, -x
	glEnd();
}

//中点圆生成算法
void MidCircle(int x0, int y0, int r, Color mColor)
{
	int x,y,deltax,deltay,d;
	x = 0;
	y = r;
	deltax = 3;
	deltay = 5-r-r;
	d = 1-r;

	CirclePt( x0, y0, x, y, mColor);
	while(x<y)
	{
		if(d<0)
		{
			d += deltax;
			deltax += 2;
			deltay += 2;
			x++;
		}
		else
		{
			d += deltay;
			deltax += 2;
			deltay += 4;
			x++;
			y--;
		}

		CirclePt( x0, y0, x, y, mColor);
	}
}

//填充圆域为圆饼
void FlatCircle(int x0, int y0, int r, Color mColor)
{
	int x,y,deltax,deltay,d;
	x = 0;
	y = r;
	deltax = 3;
	deltay = 5-r-r;
	d = 1-r;

	glColor3ub (mColor.Ir, mColor.Ig, mColor.Ib);
	glBegin(GL_POINTS);
	{
		for(int i=-x;i<=x;i++)
		{
			glVertex2i (i+x0,y+y0);
			glVertex2i (i+x0,-y+y0);
		}
		for(int i=-y;i<=y;i++)
		{
			glVertex2i (i+x0,x+y0);
			glVertex2i (i+x0,-x+y0);
		}

		while(x<y)
		{
			if(d<0)
			{
				d += deltax;
				deltax += 2;
				deltay += 2;
				x++;
			}
			else
			{
				d += deltay;
				deltax += 2;
				deltay += 4;
				x++;
				y--;
			}

			for(int i=-x;i<=x;i++)
			{
				glVertex2i (i+x0,y+y0);
				glVertex2i (i+x0,-y+y0);
			}
			for(int i=-y;i<=y;i++)
			{
				glVertex2i (i+x0,x+y0);
				glVertex2i (i+x0,-x+y0);
			}
		}
	}
	glEnd();
}

//初始化设定
void Init()
{
	float mo;
	Vector eye;
	mLight.Ir = 0;
	mLight.Ig = 175;
	mLight.Ib = 0;
	KaIa=80;
	Kd = 1;
	n = 10;

	light.fx=0.50;light.fy=0.50;
	light.fz = sqrt(1-(light.fx*light.fx)-(light.fy*light.fy));
	eye.fx=0;eye.fy=0;eye.fz=1;
	H.fx=light.fx+eye.fx;
	H.fy=light.fy+eye.fy;
	H.fz=light.fz+eye.fz;
	mo=sqrt(H.fx*H.fx+H.fy*H.fy+H.fz*H.fz);
	H.fx=(H.fx/mo);H.fy=(H.fy/mo);H.fz=(H.fz/mo);
	H.fx=(H.fx/mo);H.fy=(H.fy/mo);H.fz=(H.fz/mo);

	glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
	glShadeModel(GL_SMOOTH);
}

//根据Phong模型计算光强
Color Phong(int x0, int y0, int r, int x, int y)
{
	Vector N;
	float z,alpha,theta,Ks;
	Ks=1.0-Kd;
	z=sqrt((float)(r*r-(x-x0)*(x-x0)-(y-y0)*(y-y0)));
	N.fx=(x-x0)*1.0/r;
	N.fy=(y-y0)*1.0/r;
	N.fz = z*1.0/r;
	theta = N.fx * light.fx + N.fy * light.fy + N.fz * light.fz;
	if(theta<0)
		theta=0;
	alpha=H.fx*N.fx+H.fy*N.fy+H.fx*N.fz;
	if(alpha<0)
		alpha=0;
	mColor.Ir=KaIa+mLight.Ir*Kd*theta+mLight.Ir*Ks*pow(alpha,n);
	mColor.Ig=KaIa+mLight.Ig*Kd*theta+mLight.Ig*Ks*pow(alpha,n);
	mColor.Ib=KaIa+mLight.Ib*Kd*theta+mLight.Ib*Ks*pow(alpha,n);
	return mColor;
}

//根据计算的光强按球体的结果着色
void Sphere(int x0, int y0, int r)
{
	int x,y,deltax,deltay,d;
	x = 0;
	y = r;
	deltax = 3;
	deltay = 5-r-r;
	d = 1-r;

	glBegin(GL_POINTS);
	{
		for(int i=-x;i<=x;i++)
		{
			mColor=Phong(x0,y0,r,i+x0,y+y0);
			glColor3ub (mColor.Ir, mColor.Ig, mColor.Ib);   glVertex2i (i+x0,y+y0);
			glColor3ub (mColor.Ir, mColor.Ig, mColor.Ib);   glVertex2i (i+x0,-y+y0);
		}
		for(int i=-y;i<=y;i++)
		{
			mColor=Phong(x0,y0,r,i+x0,x+y0);
			glColor3ub (mColor.Ir, mColor.Ig, mColor.Ib);   glVertex2i (i+x0,x+y0);
			glColor3ub (mColor.Ir, mColor.Ig, mColor.Ib);   glVertex2i (i+x0,-x+y0);
		}

		while(x<y)
		{
			if(d<0)
			{
				d += deltax;
				deltax += 2;
				deltay += 2;
				x++;
			}
			else
			{
				d += deltay;
				deltax += 2;
				deltay += 4;
				x++;
				y--;
			}

			for(int i=-x;i<=x;i++)
			{
				mColor=Phong(x0,y0,r,i+x0,y+y0);
				glColor3ub (mColor.Ir, mColor.Ig, mColor.Ib);   glVertex2i (i+x0,y+y0);
				glColor3ub (mColor.Ir, mColor.Ig, mColor.Ib);   glVertex2i (i+x0,-y+y0);
			}
			for(int i=-y;i<=y;i++)
			{
				mColor=Phong(x0,y0,r,i+x0,x+y0);
				glColor3ub (mColor.Ir, mColor.Ig, mColor.Ib);   glVertex2i (i+x0,x+y0);
				glColor3ub (mColor.Ir, mColor.Ig, mColor.Ib);   glVertex2i (i+x0,-x+y0);
			}
		}
	}
	glEnd();
}

void myDisplay()
{
	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
	glColor3f (1.0f, 1.0f, 1.0f); 
	Color clr;
	clr.Ir = 180, clr.Ig = 180, clr.Ib = 180;
	MidCircle(100, 200, 50, clr);
	FlatCircle(250, 200, 50, clr);
	Sphere(400, 200, 50);

	glFlush();
}

void Reshape(int w, int h)
{
	glViewport(0, 0, (GLsizei) w,  (GLsizei) h);
	glMatrixMode(GL_PROJECTION);
	glLoadIdentity();
	gluOrtho2D(0.0, (GLdouble) w, 0.0, (GLdouble) h);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	glutInit(&argc, argv);
	glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_SINGLE);
	glutInitWindowPosition(100, 100);
	glutInitWindowSize(500, 400);
	glutCreateWindow("Hello Light!");

	Init();
	glutDisplayFunc(myDisplay);
	glutReshapeFunc(Reshape);
	glutMainLoop();
	return 0;
}

程序运行结果:

图1

(2) 示范代码2-OpenGL光照与材质下球体效果图

#include <GL/glut.h>

#include <stdlib.h>

// Initialize material property, light source, lighting model, and depth buffer.

void init(void)

{

	GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

	GLfloat mat_shininess[] = { 50.0 };

	GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };

	GLfloat white_light[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

	GLfloat Light_Model_Ambient[] = { 0.2 , 0.2 , 0.2 , 1.0 }; //

	glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);

	glShadeModel(GL_SMOOTH);

	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);

	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess);

	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);

	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, white_light);

	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, white_light);

	glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, Light_Model_Ambient); //

	glEnable(GL_LIGHTING);

	glEnable(GL_LIGHT0);

	glEnable(GL_DEPTH_TEST);

}

void display(void)

{

	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

	glutSolidSphere (0.5, 20, 16);

	//glutSolidTeapot(0.5);

	glFlush();

}

void reshape(int w, int h)

{

	glViewport(0, 0, (GLsizei)w, (GLsizei)h);

	glMatrixMode(GL_PROJECTION);

	glLoadIdentity();

	if (w <= h)

		glOrtho(-1.5, 1.5, -1.5*(GLfloat)h / (GLfloat)w,

			1.5*(GLfloat)h / (GLfloat)w, -10.0, 10.0);

	else

		glOrtho(-1.5*(GLfloat)w / (GLfloat)h,

			1.5*(GLfloat)w / (GLfloat)h, -1.5, 1.5, -10.0, 10.0);

	glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

	glLoadIdentity();

}

int main(int argc, char** argv)

{

	glutInit(&argc, argv);

	glutInitDisplayMode(GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);

	glutInitWindowSize(500, 500);

	glutInitWindowPosition(100, 100);

	glutCreateWindow(argv[0]);

	init();

	glutDisplayFunc(display);

	glutReshapeFunc(reshape);

	glutMainLoop();

	return 0;

}

程序运行结果:

图2

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