Android OpenGL添加光照和材料属性

2016-08-09 本文已影响970人 huachao1001

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在上一篇文章【 Android OpenGL显示任意3D模型文件】中，我们学习了如何读取并显示STL格式的3D文件，但是，最后，看到的并没有添加光照效果，导致虽然模型在旋转，但是我们看到的画面却像一个平面。今天我们开始学习如何给模型添加灯照效果，以及如何为模型添加材料属性，使得最终看到的旋转模型真正为3D效果。首先，看看最终效果，如下图所示：

光照效果

截图

材质效果

1 光照效果

因为我们所做的立体效果是根据真实世界原理来计算的，所以很有必要去了解在现实世界中，我们所看到的一个物体有哪些光。

1.1 真实世界中的光照

我们知道，在黑暗中，当我们将手电筒对准某个物体时，我们所看到的该物体的“亮度”有3种：

物体表面发生镜面反射部分（Specular），一般是白色。

物体表面发生漫反射部分（Diffuse），一般是物体表面的颜色。

物体表面没有照射到光的部分，即通过环境光（Ambient）照射，在黑暗中环境光是黑色。

如下图所示（图片出自www.guidebee.info）：

光照图示

从上图中也可以看出，光源的位置也会影响到我们所看到的最终画面。显然，我们只需控制好光源位置、镜面反射颜色、漫反射颜色、环境光颜色这四个参数，就可以做到了。

1.2 Android OpenGL相关API

1.2.1 光源 GL10.GL_LIGHT0

0号光源，该光源的默认颜色为白色，即RGBA为（1.0,1.0,1.0,1.0），漫反射和镜面反射也为白色。类似的，还有其他光源如GL10.GL_LIGHT1，系统提供了0~7共8种光源，其他的光源默认为黑色，即RGBA为（0.0,0.0,0.0,1.0）.

开启光源也非常简单：

//启用光照功能
gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);
//开启0号灯
gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);

1.2.2 设置各种反射光颜色

一旦开启了光照功能，就可以通过glLightfv函数来指定各种反射光的颜色了，glLightfv函数如下：

public void glLightfv(int light,int pname, FloatBuffer params)
public void glLightfv(int light,int pname,float[] params,int offset)
public void glLightf(int light,int pname,float param)

其中，

light: 指光源的序号，OpenGL ES可以设置从0到7共八个光源。

pname: 光源参数名称，可以有如下：

GL_SPOT_EXPONENT

GL_SPOT_CUTOFF

GL_CONSTANT_ATTENUATION

GL_LINEAR_ATTENUATION

GL_QUADRATIC_ATTENUATION

GL_AMBIENT(用于设置环境光颜色)

GL_DIFFUSE(用于设置漫反射光颜色)

GL_SPECULAR(用于设置镜面反射光颜色)

GL_SPOT_DIRECTION

GL_POSITION（用于设置光源位置）

params: 参数的值（数组或是Buffer类型），数组里面含有4个值分别表示R,G,B,A。

指定光源的位置的参数为GL_POSITION,位置的值为(x,y,z,w)，如果是平行光则将w 设为0，此时，(x,y,z)为平行光的方向：

1.3 代码实现

在上一篇的基础上，直接修改GLRenderer.java文件，添加一个openLight函数：


public void openLight(GL10 gl) {

    gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);
    gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);
    gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_AMBIENT, Util.floatToBuffer(ambient));
    gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_DIFFUSE, Util.floatToBuffer(diffuse));
    gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_SPECULAR, Util.floatToBuffer(specular));
    gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_POSITION, Util.floatToBuffer(lightPosition));


}

另外，分别添加我们设定的各种反射光的颜色：

float[] ambient = {0.9f, 0.9f, 0.9f, 1.0f,};
float[] diffuse = {0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f,};
float[] specular = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,};
float[] lightPosition = {0.5f, 0.5f, 0.5f, 0.0f,};

最后，在onSurfaceCreated函数里面调用一下openLight(gl);函数即可。最终效果如下：

光照效果

2 材料属性

前面我们提到了可以为模型设置不同的材料属性，本节中，我们一起学习如何为模型设定不同的材料属性。我们知道，同样是一束光，照在不同颜色材料的物体上面，我们所看到的是不同的，反射出来的不仅仅颜色不同，光泽也是不同的。换句话说，不同的材质对最终的渲染效果影响很大！

材料的属性设置和光源的设置有些类似，用到的函数

public void glMaterialf(int face,int pname,float param)
public void glMaterialfv(int face,int pname,float[] params,int offset)
public void glMaterialfv(int face,int pname,FloatBuffer params)

其中，

face : 在OpenGL ES中只能使用GL_FRONT_AND_BACK，表示修改物体的前面和后面的材质光线属性。

pname: 参数类型，这些参数用在光照方程。可以取如下值：

GL_AMBIENT

GL_DIFFUSE

GL_SPECULAR

GL_EMISSION

GL_SHININESS。

param：指定反射的颜色。

跟设置光照类似，设置材料属性首先需要定义各种反射光的颜色：

float[] materialAmb = {0.4f, 0.4f, 1.0f, 1.0f};
float[] materialDiff = {0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f};//漫反射设置蓝色
float[] materialSpec = {1.0f, 0.5f, 0.0f, 1.0f};

然后就是将这些颜色通过glMaterialfv函数设置进去：

public void enableMaterial(GL10 gl) {

    //材料对环境光的反射情况
    gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_AMBIENT, Util.floatToBuffer(materialAmb));
    //散射光的反射情况
    gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_DIFFUSE, Util.floatToBuffer(materialDiff));
    //镜面光的反射情况
    gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_SPECULAR, Util.floatToBuffer(materialSpec));

}

当然了，最后也别忘记了在onSurfaceCreated函数中调用 enableMaterial(gl);，最后看看效果：

材质效果

3 完整的GLRenderer类

最后项目代码就不上传了，直接参考上一篇的文章中的源码即可，本位值修改了GLRenderer类，把该类的完整源码贴上：

package com.hc.opengl;

import android.content.Context;
import android.opengl.GLSurfaceView;
import android.opengl.GLU;

import java.io.IOException;

import javax.microedition.khronos.egl.EGLConfig;
import javax.microedition.khronos.opengles.GL10;

/**
 * Package com.hc.opengl
 * Created by HuaChao on 2016/8/9.
 */
public class GLRenderer implements GLSurfaceView.Renderer {

    private Model model;
    private Point mCenterPoint;
    private Point eye = new Point(0, 0, -3);
    private Point up = new Point(0, 1, 0);
    private Point center = new Point(0, 0, 0);
    private float mScalef = 1;
    private float mDegree = 0;

    public GLRenderer(Context context) {
        try {

            model = new STLReader().parserBinStlInAssets(context, "huba.stl");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void rotate(float degree) {
        mDegree = degree;
    }

    @Override
    public void onDrawFrame(GL10 gl) {
        // 清除屏幕和深度缓存
        gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);


        gl.glLoadIdentity();// 重置当前的模型观察矩阵


        //眼睛对着原点看
        GLU.gluLookAt(gl, eye.x, eye.y, eye.z, center.x,
                center.y, center.z, up.x, up.y, up.z);

        //为了能有立体感觉，通过改变mDegree值，让模型不断旋转
        gl.glRotatef(mDegree, 0, 1, 0);

        //将模型放缩到View刚好装下
        gl.glScalef(mScalef, mScalef, mScalef);
        //把模型移动到原点
        gl.glTranslatef(-mCenterPoint.x, -mCenterPoint.y,
                -mCenterPoint.z);


        //===================begin==============================//

        //允许给每个顶点设置法向量
        gl.glEnableClientState(GL10.GL_NORMAL_ARRAY);
        // 允许设置顶点
        gl.glEnableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
        // 允许设置颜色

        //设置法向量数据源
        gl.glNormalPointer(GL10.GL_FLOAT, 0, model.getVnormBuffer());
        // 设置三角形顶点数据源
        gl.glVertexPointer(3, GL10.GL_FLOAT, 0, model.getVertBuffer());

        // 绘制三角形
        gl.glDrawArrays(GL10.GL_TRIANGLES, 0, model.getFacetCount() * 3);

        // 取消顶点设置
        gl.glDisableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
        //取消法向量设置
        gl.glDisableClientState(GL10.GL_NORMAL_ARRAY);

        //=====================end============================//

    }


    @Override
    public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {

        // 设置OpenGL场景的大小,(0,0)表示窗口内部视口的左下角，(width, height)指定了视口的大小
        gl.glViewport(0, 0, width, height);

        gl.glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION); // 设置投影矩阵
        gl.glLoadIdentity(); // 设置矩阵为单位矩阵，相当于重置矩阵
        GLU.gluPerspective(gl, 45.0f, ((float) width) / height, 1f, 100f);// 设置透视范围

        //以下两句声明，以后所有的变换都是针对模型(即我们绘制的图形)
        gl.glMatrixMode(GL10.GL_MODELVIEW);
        gl.glLoadIdentity();


    }


    @Override
    public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
        gl.glEnable(GL10.GL_DEPTH_TEST); // 启用深度缓存
        gl.glClearColor(0f, 0f, 0f, 0f);// 设置深度缓存值
        gl.glDepthFunc(GL10.GL_LEQUAL); // 设置深度缓存比较函数
        gl.glShadeModel(GL10.GL_SMOOTH);// 设置阴影模式GL_SMOOTH

        //开启光
        openLight(gl);
        enableMaterial(gl);
        float r = model.getR();
        //r是半径，不是直径，因此用0.5/r可以算出放缩比例
        mScalef = 0.5f / r;
        mCenterPoint = model.getCentrePoint();
    }


    float[] ambient = {0.9f, 0.9f, 0.9f, 1.0f};
    float[] diffuse = {0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f};
    float[] specular = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};
    float[] lightPosition = {0.5f, 0.5f, 0.5f, 0.0f};

    public void openLight(GL10 gl) {

        gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);
        gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);
        gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_AMBIENT, Util.floatToBuffer(ambient));
        gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_DIFFUSE, Util.floatToBuffer(diffuse));
        gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_SPECULAR, Util.floatToBuffer(specular));
        gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_POSITION, Util.floatToBuffer(lightPosition));


    }

    float[] materialAmb = {0.4f, 0.4f, 1.0f, 1.0f,};
    float[] materialDiff = {0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f,};
    float[] materialSpec = {1.0f, 0.5f, 0.0f, 1.0f,};

    public void enableMaterial(GL10 gl) {

        //材料对环境光的反射情况
        gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_AMBIENT, Util.floatToBuffer(materialAmb));
        //散射光的反射情况
        gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_DIFFUSE, Util.floatToBuffer(materialDiff));
        //镜面光的反射情况
        gl.glMaterialfv(GL10.GL_FRONT_AND_BACK, GL10.GL_SPECULAR, Util.floatToBuffer(materialSpec));

    }
}

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