在Qt中使用OpenGL（七）

前言

在Qt中使用OpenGL（一）
在Qt中使用OpenGL（二）
在Qt中使用OpenGL（三）
在Qt中使用OpenGL（四）
在Qt中使用OpenGL（五）
在Qt中使用OpenGL（六）
在前面的文章中，我们实现了对模型的封装。目前我们对于简单的3D世界的构建已经快要接近完成了。
接下来，我们需要的实现的，就是3D世界中很重要的一个元素：光照。

现实中的光照

很显然，在OpenGL的3D世界中，你看到的绝大部分看似符合现实世界中的样子，都是通过数学手段模拟出来的。
光照当然也不例外。
让我们思考一个问题，在阴天你根本看不到太阳的时候，事实上你依旧可以看清楚周围的事物，无论你从任何角度观察一个物体，大概率你看到的这个物体的亮度在各个方向上看起来都是一样。
可是当晚上你在屋里开了灯，你应该能够注意到一个物体的各个表面的亮度并不是一致的——面向灯的那一面比较亮，背向灯的那一面比较暗。而且面向灯的那一面，你还能看到一些闪亮亮的高光的部分。
我们接下来要做的事情，就是将你在现实中看到的情况给模拟出来。

环境光，漫反射与镜面反射

首先，在阴天，虽然没有太阳的直射，你也可以清晰的看到周围的事物，是因为环境光的缘故。
也就是你所处的位置，周围的环境的亮度。
它的成因在于绝大部分的物体都可以反射与透射太阳光，于是虽然没有太阳光的直射，在各种各样的物体上来回反射的太阳光造就了你的周围环境的亮度。
对比一下，哪怕在屋子里你拉上了窗帘，实际上你依旧可以看到屋子里的物品，只不过变暗了而已。这就是光无孔不入的反射造成的。
为了模拟这个现象，我们需要有一个叫做环境光的概念，它实际上就表示了在没有光线直射时，物体受到的光照。
那么我们很容易的就可以推测出来，接下来我们就需要一个在有光线直射时，物体受到的光照的概念了吧。对，它叫做漫反射。
你看到的物体的颜色，绝大部分都是因为它可以反射一部分的光造成的。
例如，光线照射到了物体上，但是物体只会反射绿色，那么你看到的物体就是绿色的。
没错，你周围的所有绿色植物，是因为它们不喜欢绿色的光，将绿色反射回去了，你看到的绿色植物才是绿色的。
什么是镜面反射？顾名思义，将所有的光给反射回去的，就是镜面反射。有时，你会在物体上看到亮闪闪的部分，那就是镜面。比如光滑的地面，虽然不是镜子，但是有时是可以看到反射过来的光源的。这一部分的反射，就被称为镜面反射
有了这三个概念，我们就可以将这三个概念赋予给模型了。
没错，我们依旧需要使用模型中的逻辑来处理光照，虽然光照是一个全局性的概念，但是我们只能逐个模型的进行处理。
一般的，我们将这三个概念，统称材质

法线 与 材质

再继续之前，我们还需要了解另一个概念，它和漫反射还有镜面反射息息相关。
让我们思考一个简单的问题，我们怎么知道，物体的一个面，是朝向光源的？
现实中我们可以很容的通过物体和光源的位置来观察得到，但是具体到了OpenGL的3D世界中，我们怎么就能说一个面就是朝向光源而不是背向光源的呢？
索性我们不需要进行过多的思考，因为在3D世界中，已经存在着这么一个概念了，那就是法线。
什么是法线？数学概念中，垂直于一个平面的向量就被称为这个平面的法线。有了法线，我们就可以计算这个面到底是朝向光源还是背向光源了。
简单来讲，就是计算一下法线向量和从平面上一个点到光源方向向量的点乘，也就是cos值即可。‘
众所周知，cos值在角度[-90°, +90°]范围内的时候是正值，并且越接近±90°值越接近0。让我们想象一下，一个平面的法线，就是你站在这个平面上向上方看，平面上到光源的向量，就是你站在这个平面上向光源看。如果你需要低下头才能看到光源，就证明这个光源和你的头顶的夹角大于90°了，同时这个光源已经在这个平面的下方了，对吧。
于是，只要cos值大于0，就证明这个面被光照到了。

有了以上的知识，我们就可以开始改造之前的模型类了。
首先，我们需要在顶点信息中增加法线的概念，以便可以用来计算光是否照到了这个顶点所在的平面。
其次，我们需要材质这个概念，来模拟环境光，漫反射与镜面反射。
所以，我们就可以这么定义顶点与材质：

struct Vertex
{
   
   
	QVector3D pos;
	QVector2D texture;
	QVector3D normal;
};

struct Material
{
   
   
	float ambient = 1;
	float diffuse = 0;
	float specular = 0;
	float shininess = 16;
};

normal就是法线。
ambient 指的是环境光，范围[0,1]。事实上，之前我们的所有模型就是按照100%的环境光来渲染的。也就是哪怕没有任何直射的光线，你也可以以100%亮度看到这个物体。如果你完全不关心光照，那么就可以将这个值设置为1即可（但你依旧会受到光源颜色的影响）。
diffuse是指漫反射，范围[0,1]。一般情况下，环境光和漫反射加起来要达到1，但是达不到也不要紧。
因为，环境光和漫反射共同决定了你看到的物体的颜色是什么（对应到3D中，实际上就指是你能以多高的亮度看到物体的贴图），如果最终的值不到1，那么只不过是一个看起来比较暗的物体罢了，可以用来模拟晚上或者昏暗的地下室+昏暗的灯光。
specular是指镜面反射，范围[0,1]。值越大，越闪亮。
shininess是指最终计算出来的镜面反射的效果。值越大，光斑越明显。

然后，我们仿照纹理，也增加添加材质的接口（因为一个模型既然可以有多个纹理，那有多个材质也无可厚非）：

public:
	void setMaterial(const Material &material, int index  = -1);
private:
	QMap<int, Material> m_materials;

void Model::setTexture(QOpenGLTexture *texture, int index)
{
   
   
	if (index == -1)
	{
   
   
		if (m_textures.isEmpty())
		{
   
   
			index = 0;
		}
		else
		{
   
   
			index = m_textures.keys().last() + 1;
		}
	}
	m_textures.insert(index, texture);
}

设置法线和材质

我们依旧使用之前的色子模型来举例，由于我们修改了基类，于是最新的包含了法线初始化顶点数据的代码如下：

setVertices({
   
   
	//   顶点           纹理	          法线
	// 1
		{
   
   {
   
   -1,  1,  1,}, {
   
   0.50, 0.25}, {
   
   0, 0, 1}},	// 左上
		{
   
   {
   
   -1, -1,  1,}, {
   
   0.50, 0.50}, {
   
   0, 0, 1}},	// 左下
		{
   
   {
   
    1, -1,  1,}, {
   
   0.75, 0.50}, {
   
   0, 0, 1}},	// 右下
		{
   
   {
   
    1,  1,  1,}, {
   
   0.75, 0.25}, {
   
   0, 0, 1}},	// 右上
	// 6							
		{
   
   {
   
    1,  1, -1,}, {
   
   0.00, 0.25}, {
   
   0, 0, -1}},	// 左上
		{
   
   {
   
    1, -1, -1,}, {
   
   0.00, 0.50}, {
   
   0, 0, -1}},	// 左下
		{
   
   {
   
   -1, -1, -1,}, {
   
   0.25, 0.50}, {