OpenGL入门第八步：投光物

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#OpenGL #qt #c++

于 2024-07-26 13:42:19 首次发布

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点光源效果

投光物介绍

将光投射(Cast)到物体的光源叫做投光物(Light Caster)。讨论定向光(Directional Light)、点光源(Point Light)、聚光(Spotlight)。

平行光

当一个光源处于很远的地方时，来自光源的每条光线就会近似于互相平行。不论物体和/或者观察者的位置，看起来好像所有的光都来自于同一个方向。当我们使用一个假设光源处于无限远处的模型时，它就被称为定向光，因为它的所有光线都有着相同的方向，它与光源的位置是没有关系的。

定向光非常好的一个例子就是太阳。太阳距离我们并不是无限远，但它已经远到在光照计算中可以把它视为无限远了。所以来自太阳的所有光线将被模拟为平行光线，我们可以在下图看到：

因为所有的光线都是平行的，所以物体与光源的相对位置是不重要的，因为对场景中每一个物体光的方向都是一致的。由于光的位置向量保持一致，场景中每个物体的光照计算将会是类似的。

点光源

点光源是处于世界中某一个位置的光源，它会朝着所有方向发光，但光线会随着距离逐渐衰减。想象作为投光物的灯泡和火把，它们都是点光源。

我们在给定位置有一个光源，它会从它的光源位置开始朝着所有方向散射光线。然而，我们定义的光源模拟的是永远不会衰减的光线，这看起来像是光源亮度非常的强。在大部分的3D模拟中，我们都希望模拟的光源仅照亮光源附近的区域而不是整个场景。

聚光

聚光是位于环境中某个位置的光源，它只朝一个特定方向而不是所有方向照射光线。这样的结果就是只有在聚光方向的特定半径内的物体才会被照亮，其它的物体都会保持黑暗。聚光很好的例子就是路灯或手电筒。

OpenGL中聚光是用一个世界空间位置、一个方向和一个切光角(Cutoff Angle)来表示的，切光角指定了聚光的半径（译注：是圆锥的半径不是距光源距离那个半径）。对于每个片段，我们会计算片段是否位于聚光的切光方向之间（也就是在锥形内），如果是的话，我们就会相应地照亮片段。下面这张图会让你明白聚光是如何工作的：

LightDir：从片段指向光源的向量。
SpotDir：聚光所指向的方向。
Phiϕ𝜙：指定了聚光半径的切光角。落在这个角度之外的物体都不会被这个聚光所照亮。
Thetaθ𝜃：LightDir向量和SpotDir向量之间的夹角。在聚光内部的话θ𝜃值应该比ϕ𝜙值小。

所以我们要做的就是计算LightDir向量和SpotDir向量之间的点积（还记得它会返回两个单位向量夹角的余弦值吗？），并将它与切光角ϕ𝜙值对比。

衰减

随着光线传播距离的增长逐渐削减光的强度通常叫做衰减(Attenuation)。面这个公式根据片段距光源的距离计算了衰减值，之后我们会将它乘以光的强度向量：

常数项通常保持为1.0，它的主要作用是保证分母永远不会比1小，否则的话在某些距离上它反而会增加强度，这肯定不是我们想要的效果。
一次项会与距离值相乘，以线性的方式减少强度。
二次项会与距离的平方相乘，让光源以二次递减的方式减少强度。二次项在距离比较小的时候影响会比一次项小很多，但当距离值比较大的时候它就会比一次项更大了。

由于二次项的存在，光线会在大部分时候以线性的方式衰退，直到距离变得足够大，让二次项超过一次项，光的强度会以更快的速度下降。这样的结果就是，光在近距离时亮度很高，但随着距离变远亮度迅速降低，最后会以更慢的速度减少亮度。下面这张图显示了在100的距离内衰减的效果：

可以看到光在近距离的时候有着最高的强度，但随着距离增长，它的强度明显减弱，并缓慢地在距离大约100的时候强度接近0。

函数解析

initializeGL()函数：

paintGL()函数：

具体代码

#ifndef OPENGLWIDGET_H
#define OPENGLWIDGET_H

#include <QOpenGLWidget>
#include <QOpenGLShaderProgram>
#include <QOpenGLBuffer>
#include <QOpenGLVertexArrayObject>
#include <QOpenGLTexture>
#include <QElapsedTimer>
#include "Camera.h"

QT_BEGIN_NAMESPACE
namespace Ui { class openGLWidget; }
QT_END_NAMESPACE

class openGLWidget : public QOpenGLWidget
{
    Q_OBJECT

public:
    openGLWidget(QWidget *parent = nullptr);
    ~openGLWidget();
protected:
    virtual void timerEvent(QTimerEvent *event) over