再读OpenGL红宝书(1-8章)

原创

phinecos 2021-08-05 14:33:08 博主文章分类：计算机图形学 ©著作权

文章标签 环境光反射率镜面反射光光照模型真实感图形 文章分类 后端开发

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作为OpenGLARB写的Official Guide,确实值得学习OpenGL的开发者反复研读。我没有买第5版，一直都是读的第4版，两版的差异我还不得而知，而OpenGL3也即将正式发布了。

1）真实感图形学和非真实感图形学(NPR)的区别和联系，近几年NPR的研究也开始发展起来了，连续几年都在Siggraph上有这方面的文章发表。

2）线性代数，微分几何，数值计算等数学知识在图形学的研究中占据十分重要的地位，我这才明白为什么那么多数学系的研究生从事图形学的研究。

3） “OpenGL是一个状态机”，所以时刻注意当前的状态。这点值得好好思考。。。

4）几何数据和像素数据的两条绘制流水线的流程

5） openGL的矩阵变换是和代码顺序相反的顺序执行的，所以写代码都是先写投影变换，再写模型视图变换，而执行变换是按从后到前的顺序的

6）要利用glPushMatrix和glPopMatrix， glPushAttribute(), glPopAttribute()来进行矩阵和状态的保存和恢复。

7） glPolygonMode来设置多边形正面和背面的绘制模式

8）一般来说，顶点以逆时针顺序绘制的多边形为正面，但可以用glFrontFace来控制如何确定多边形的正面。不透明多边形构成的封闭面中，背面不可见，若视点处于物体外部，则可以用glCullFace来剔除(culling)掉背面。若视点处于物体内部，则背面可见。

9）画一个立方体，如果我们一个个面去绘制的话，就会重复绘制两个面的公共点，这种情况下我们可以使用顶点数组，主要用到的函数有glEnableClientState(),glVertexPointer(),glColorPointe,glArrayElement,glDrawElements,

glMultiDrawElements,glDrawRangeElements,glDrawArrays,glMultiDrawArrays,glIneteleavedArrays等函数.

10）绘制曲面时采用的三角形分割，注意分割的递归深度和所需要满足的曲率要求。

11）各种矩阵变换和照相机的类比。移动相机和反向移动物体效果是一样的

12）视口变换期间会对z坐标进行编码，然后保存在深度缓存中，可以使用glDepthRange将z坐标缩放到指定的范围内，默认范围是[0,1]。透视投影中会对变换后的深度坐标执行透视除法(除以w),离近剪裁面越远，变换后的深度坐标度量未知的准确性越低。

13）投影时注意near和far必须都大于0，分别表示近剪裁面和远剪裁面到视点的距离。

14）可以最多定义6个附加剪裁面，平面由方程Ax+By+Cz=0确定，OpenGL会自动对剪裁面进行模型变换和视点变换。被剪裁掉的多边形，OpenGL会自动重新生成其边，使用的函数是glClipPlane()。

15）逆变换是从鼠标选中的屏幕位置来确定对应的三维空间中位置，这可以使用gluUnProject和gluUnProject4来实现。若glDepthRange()指定的是默认设置，则z为0.0时，对应的点位于近剪裁面上，z为1.0时，对应的点位于远剪裁面上。gluProject（）是用来模拟绘制流水线的操作用的，给定三维世界坐标和所有的变换，它可以返回变换后得到的窗口坐标。

16）抖动是使用几种颜色合成其他颜色的技术，它的原理就是覆盖由多个像素组成的区域而不是单个的像素，使用的参数是GL_DITHER。

17）隐藏面消除是利用深度缓存实现的，使用glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT)将所有像素的深度值设置为最大可能距离（一般是远剪裁面），在绘制每个面的时候计算其到观察面的距离，若调用了glEnable(GL_DEPTH_TEST)来启用深度缓存，则在绘制每个像素之前，将其深度和原像素中存储的深度进行比较，如果新像素更近，则用其颜色和深度代替原来的值，否则说明新像素被原像素遮住了，直接丢弃其颜色和深度信息就行了。

18）个人认为光照模型是真实感图形的核心。

OpenGL光照模型将光照分为4个部分：环境光，散射光，镜面反射光和发射光，它们分别被计算，然后叠加起来。

除了光线的RGB值外，还要考虑材质对光线的反射比例。材质也有环境色，散射色和镜面反射色，这决定了材质对环境光，散射光和镜面反射光的反射率。将材质对环境光反射率和每个光源的环境光分量相乘，将材质对散射光反射率和每个光源的散射光分量相乘，将材质对镜面反射光反射率和每个光源的镜面反射光分量相乘。材质对环境光和散射光的反射率决定了其颜色，这两种反射率基本是一样的。镜面反射点的颜色为光源中镜面反射光的颜色，例如将白光照到红色球上，球大部分是红色的，但镜面反射点是白色的。

公式：(LR*MR,LG*MG,LB*MB),L表示光线，M表示材质。

示例：使用不同的光照模型效果

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 };
   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);
   glEnable(GL_LIGHTING);
   glEnable(GL_LIGHT0);
   glEnable(GL_DEPTH_TEST);
}
void display(void)
{
   glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
   glutSolidSphere (1.0, 20, 16);
   glFlush ();
}

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 ambient[] = {0.1,0.1,0.1,1.0};
   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);
   glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT,ambient);
   glEnable(GL_LIGHTING);
   glEnable(GL_LIGHT0);
   glEnable(GL_DEPTH_TEST);
}
void display(void)
{
   glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
   glutSolidSphere (1.0, 20, 16);
   glFlush ();
}

19）法线决定了物体相对于光源的朝向，从而决定了多少光源的光会照射到顶点上。面发线的长度必须为1，模型转换矩阵可能缩放面法线，因此可能要使用参数GL_NOMALIZE或GL_RESCALE_NORMAL来调用glEnable()。

20）光源GL_LIGHT0与其他几个光源不同，GL_DIFFUSE,GL_SPECULAR的默认值是（1.0，1.0,1.0,1.0）,而其他光源的默认值是（0.0,0.0,0.0,1.0）。

21）光源的属性GL_SPECULAR影响镜面反射区域的颜色，一般物体的镜面反射区域的颜色为入射光线的颜色，要实现真实感，应该将它的值设置成与GL_DIFFUSE相同。

22）光源有两种，定向的（如太阳）和定位的（如台灯），在设置GL_POSITION时，若w值为0，则为定向光源，默认的光源位置就是(0,0,1,0),是一个指向z轴负方向的定向光源。若w不为0，则是定位光源，指定的是光源的齐次坐标。

23）定位光源需要对其发射的光进行衰减，可以设置各种衰减因子。环境光，散射光和镜面反射光的贡献都是衰减的，只有发射光和全局环境光不会衰减。

24）通过将发射光限定在指定的圆锥体内可以让定位光源成为聚光灯，这只需要指定椎体的角度和光源的位置就可以了，例如：

glLightf(GL_LIGHT0,GL_SPOT_CUTOFF,45.0);

GLfloat direction[]={-1.0,-1.0,0.0};

glLightf(GL_LIGHT0,GL_SPOT_DIRECTION, direction);

光源的默认方向是(0.0,0.0,-1.0),即指向z轴负方向。还可以设置参数GL_SPOT_EXPONENT来控制光线的聚集程度，默认值为0，轴线处光强最大，从轴线向母线移动时不断衰减，因此，聚光指数越大，光源的聚集程度越高。

25）对光源进行平移或旋转，使之相对于静止的物体移动，这可以在指定模型变换后设置光源位置，然后通过修改模型变换来改变光源的位置。

void display(void)
{
   GLfloat position[] = { 0.0, 0.0, 1.0, 1.0 };
   GLfloat ambient[] = {1.0,0.0,0.0,1.0};
   glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
   glPushMatrix ();
   gluLookAt (0.0, 0.0, 5.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);
   glPushMatrix ();
   glRotated ((GLdouble) spin, 1.0, 0.0, 0.0);
   glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION, position);
   glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT,ambient);
   glTranslated (0.0, 0.0, 1.5);
   glDisable (GL_LIGHTING);
   glColor3f (0.0, 1.0, 0.0);
   glutWireCube (0.1);
   glEnable (GL_LIGHTING);
   glPopMatrix ();
   glutSolidTorus (0.275, 0.85, 8, 15);
   glPopMatrix ();
   glFlush ();
}