三维图形的光照贴图及阴影处理(OpenGL)

1、三维图形的光照、贴图及阴影处理（OpenGL）实验过程：一、在VS6.0中建立新工程。1、新建一个Win32 Application的工程。2、向工程项目添加C+源文件。3、将OpenGL框架复制到文件中。4、设置OpenGL窗口标题。二、场景设置。1、视线处于一具有地板及前、左、右三面墙壁的空间中。2、空间顶部中央有一光源。3、空间中央有一地球仪，不断旋转。三、建立视口结构及视点属性。1、在坐标系上建立视图结构。如图。2、参数设置。窗口大小：800*600。视口大小：800*600。透视深度：0.1100。透视角：60°。视点位置：(0.0, 2.0, 15.0)。视线方向：z轴负

2、方向。视点上方向：y轴正方向。3、调用函数glViewport()、gluPerspective()和gluLookAt()实现。四、绘制三维图形。1、开启深度测试模式。为防止图形重叠时出现层次混乱，必须对绘制图形进行消隐处理。直接调用函数glEnable(GL_DEPTH_TEST)开启深度测试。2、绘制地面与墙壁。调用OpenGL基本几何元素绘制过程glBegin(GL_QUADS)、glBegin(GL_QUAD_STRIP)绘制四个平面，坐标范围为：x: -1010, y: -220, z: -1010。坐标系结构如图。3、绘制地球仪。设计函数void DrawEarth()实现地球仪

3、的绘制，分别调用OpenGL球面绘制函数gluSphere()绘制地球形状、柱面绘制函数gluCylinder()绘制地轴两头形状。(1)参数设置。球面半径：2。球面细度：水平100，垂直100。柱面半径：0.05。柱面高度：1。柱面细度：水平50，垂直1。(2)结构如图。4、绘制模拟光源。(1)绘制“灯罩”。调用glBegin(GL_TRIANGLE_STRIP)绘制4个三角形，构成棱椎形灯罩的4个侧面。(2)绘制“灯泡”。调用gluSphere()绘制球形灯泡。(3)参数设置。灯罩底面：四个底面顶点距底面中心距离为1。灯罩高度：1。灯罩颜色：顶点为(0.8, 0, 0)，底面顶点为(0.8

4、, 0.8, 0)，绘制时颜色自然过渡。灯泡半径：0.4。灯泡颜色：(1, 1, 0.8)。(4)整体结构如图。五、光照效果。1、设置全局环境光。调用函数glLightModelfv()调节全局泛射光强度为(1, 1, 1, 1)。2、设置光源0。调用函数glLightfv()调节光源泛射光强度为(1, 1, 1, 1)，漫反射光强度为(2, 2, 2, 1)，光源位置为(0, 10, 0, 1)，最后一个参数指定光照类型为非平行光。3、光照效果开启与关闭。光照效果仅作用于地面、墙壁、地球及地轴，模拟光源不使用光照效果。调用函数glEnable(GL_LIGHTING)和glDisable(G

5、L_LIGHTING)实现光照模式的开启和关闭。六、设置地球仪和模拟光源的自转。调用函数glRotatef()实现旋转，转轴与地轴同一直线，设置变量earth_rotate为旋转角度，每帧更新递增4°，则绘图时自动旋转。七、纹理贴图。1、载入贴图。(1)设计函数BOOL LoadTexture()实现贴图载入，对应的贴图引用ID保存在数组textureNTEX中。(2)在初始化函数Initialize()中调用LoadTexture()载入贴图。2、绘制贴图。(1)调用函数glBindTexture()为下面绘制的图形绑定贴图。(2)调用函数glTexCoord2f()建立二维图形与

6、贴图的坐标映射。(3)调用函数gluQuadricTexture()建立球面与贴图的坐标映射。3、贴图模式的开启与关闭。贴图只应用于地面、墙壁和地球面，地轴和模拟光源不使用贴图。调用函数glEnable(GL_TEXTURE_2D)和glDisable(GL_TEXTURE_2D)实现贴图模式的开启和关闭。4、带光照效果和纹理贴图的图形绘制。八、阴影效果。1、平面阴影投射矩阵的推导。设投射平面的方程为Ax + By + Cz + D=0，光源位置为L(Lx, Ly, Lz)，空间某点P(Px, Py, Pz)在平面上的投影坐标为S(Sx', Sy', Sz')，则有L，

7、P，S共线，且ASx' + BSy' + CSz' + D = 0。如图。令向量L = (Lx, Ly, Lz, 0)，P = (Px, Py, Pz, 1)，S = (Sx', Sy', Sz', 1)，N = (A, B, C, D)，则有ASx' + BSy' + CSz' + D = S · N = k'(P L) + L · N= k'P + (1 k')L · N = 0，令k = (k' 1) / k'得(P + kL) · N=

8、0，解得k = (P · N) / (L · N) = (APx + BPy + CPz + D) / (ALx + BLy + CLz)。将上式代入S = P + kL可得Sx'      = Px + kLx          = Px Lx(APx + BPy + CPz + D)/(ALx + BLy + CLz)         

9、 = Px · (BLy + CLz) Py · BLx Pz · CLx 1 · DLx/(ALx + BLy + CLz)          = P · (BLy + CLz,      BLx,              CLx,   

10、0;          DLx                      )/(ALx + BLy + CLz)，Sy'      = P · ( ALy,      &#

11、160;      ALx + CLz,       CLy,               DLy                     

12、 )/(ALx + BLy + CLz)，Sz'      = P · ( ALz,             BLz,               ALx + BLy,       DLz  

13、                    )/(ALx + BLy + CLz)，1        = P · (0,                  

14、; 0,                     0,                     ALx + BLy + CLz     )/(ALx + BLy

15、 + CLz)。在OpenGL中，四维坐标有以下转换关系：(x, y, z, k) = (kx, ky, kz, 1)。由此，得到S的四维向量坐标S = HP，其中P为空间某点P的向量坐标，H即为平面阴影投射矩阵。在OpenGL中，有一个4×4的空间平面坐标变换矩阵R，将三维坐标映射为屏幕实际显示出来的二维图形。故有S0 = RS = RHP = R'P，其中R' = RH。从而在R'的变换下，图形将被“压扁”地绘制到阴影投射平面上。2、阴影投射矩阵的生成算法。设计函数void GenerateShadow()计算阴影投射矩阵，记录在二维数组shadow44中

16、。3、绘制阴影。(1)关闭光照和纹理贴图，设置阴影颜色。(2)为防止阴影与投射平面重合导致绘图层次混乱，将阴影绘制平面上移一个小单位。(3)对于四个阴影投射平面，分别计算阴影投射矩阵，并与当前模型视图矩阵相乘。(4)由于当前模型视图矩阵被修改，要恢复之前的状态必须将运算前的矩阵压入矩阵栈，阴影绘制结束后弹出。(5)调用地球仪绘制函数DrawEarth()即可完成阴影绘制。九、键盘控制。1、设置变量posX、posY、posZ、rotH、rotV，分别控制地球仪坐标和水平、垂直旋转角度。2、在地球仪绘制函数void DrawEarth()中添加坐标变换函数。3、在框架函数void Update(

17、)中添加键盘按键响应及边缘控制。十、文字说明。1、制作文字贴图。2、绘制文字贴图平面。绑定贴图，建立坐标映射，绘制平面。平面位置在视口空间的前部，即总在地球仪位置前方。3、设置透明效果。设置混合类型，开启透明模式，关闭深度测试，设置阴影颜色及其透明度。绘制结束后关闭透明模式，重新开启深度测试。实验结果：一、图形绘制效果。1、整体效果较为理想。2、消隐效果良好。如不开启深度测试，则会出现以下现象。二、透视效果。1、窗口结构和整体透视效果与计算预期结果一致。2、地球仪移动到窗口边缘时会出现明显变形，如图所示。三、光照效果。1、仅地球仪和墙壁、地面受中心光源0光照，其他只受全局环境泛射光影响，与预期

18、结果相同。2、地球仪受光明显，出现光照面与阴暗面，且方向正确。3、关闭贴图可以看到良好的整体光照效果。四、贴图效果。1、平面、球面贴图均得到较好效果。图略。2、颜色深度设置为16位色，如果图片格式不正确，会出现贴图错误。五、阴影效果。1、在透明模式下，地球阴影与地轴阴影相叠加，阴影明显失真。2、阴影在多个面的交汇处得到十分准确的效果。六、动画效果。1、实现了地球仪和模拟光源的自转，转速适中。2、使用10个键盘按键实现地球仪的平移和旋转控制。3、在接近墙壁、地面和视点处设置坐标控制，限制了球面的平移范围。但因地轴位置不确定，无法实现范围控制，即有可能穿透边缘。七、文字说明及其透明效果。1、位于所

19、有图形之前，窗口右上角边缘附近。2、透明效果良好。实验讨论：一、关于OpenGL框架。1、老师给的框架无法直接实现键盘控制功能，所以选用了计算机图形学实验教程（OpenGL版）中的简单框架。2、在OpenGL框架下，只需要增加一些全局变量，修改少数几个函数的内容即可实现绘图及控制功能。如在Initialize()函数中初始化窗口环境，在DrawSceneGL()中绘制图形和其他效果，在Update()中设置键盘实时控制。3、但是在这个VC环境的框架下，每个函数分别实现了不同的功能，不可混用。Initialize()只在创建窗口时调用一次，DrawSceneGL()在整个程序运行过程中被反复调用

20、，而Update()则在有键盘动作时响应。刚开始时将LoadTexture()函数放在DrawSceneGL()中调用，结果程序运行是反复载入纹理贴图，最终导致内存溢出，程序崩溃。4、在OpenGL中，图形是根据DrawSceneGL()被连续绘制的，因此动画控制无需用循环实现，只需设置改变量即可。二、OpenGL是一个状态机。1、OpenGL的整个绘制过程时刻贯穿着“状态机”的思想，强调的是“当前状态”。即在每一个图形的绘制之前必须先设置好各种绘制状态，如视图属性、光照效果、贴图功能、透明模式等等，图形的绘制都是根据当前的绘制状态进行绘制的。2、我们可以将OpenGL设想成为一台机器，机器上许多状态开关，当我们设定好一组状态组合之后，就可以开始绘制。在工作过程中，机器根据状态组合进行实时计算，得到被绘制图形上各个点的实际显示结果。绘制完成后可以重新设定状态组合，进行另一轮的图形绘制，但无法对已经绘制