Android OpenGL加入光照和材料属性

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在上一篇文章【 Android OpenGL显示随意3D模型文件 】中。我们学习了怎样读取并显示STL格式的3D文件，可是，最后。看到的并没有加入光照效果。导致尽管模型在旋转，可是我们看到的画面却像一个平面。今天我们開始学习怎样给模型加入灯照效果，以及怎样为模型加入材料属性，使得终于看到的旋转模型真正为3D效果。首先。看看终于效果，例如以下图所示：

1 光照效果

由于我们所做的立体效果是依据真实世界原理来计算的，所以非常有必要去了解在现实世界中。我们所示一个物体有哪些光。

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。我们所示该物体的“亮度”有3种：

• 物体表面发生镜面反射部分（Specular），通常是白色。

• 物体表面发生漫反射部分（Diffuse），通常是物体表面的颜色。

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

例如以下图所示（图片出自www.guidebee.info）：

从上图中也能够看出，光源的位置也会影响到我们所示终于画面。

显然，我们仅仅需控制好光源位置、镜面反射颜色、漫反射颜色、环境光颜色这四个參数，就能够做到了。

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。相似的，还有其它光源如GL10.GL_LIGHT1，系统提供了0~7共8种光源。其它的光源默觉得黑色，即RGBA为（0.0,0.0,0.0,1.0）.

开启光源也非常easy：

//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，就能够通过glLightfv函数来指定各种反射光的颜色了，glLightfv函数例如以下：

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)

当中，

• light: 指光源的序号，OpenGL ES能够设置从0到7共八个光源。
• pname: 光源參数名称，能够有例如以下：
  
  • 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: 參数的值（数组或是Buffer类型），数组里面含有4个值分别表示R,G,B,A。

指定光源的位置的參数为GL_POSITION,位置的值为(x,y,z,w)，假设是平行光则将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，直接改动GLRenderer.java文件。加入一个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，分别加入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);函数就可以。终于效果例如以下：

2 材料属性

前面我们提到了能够为模型设置不同的材料属性，本节中。我们一起学习怎样为模型设定不同的材料属性。

我们知道，相同是一束光，照在不同颜色材料的物体上面。我们所示是不同的，反射出来的不仅仅颜色不同，光泽也是不同的。

换句话说。不同的材质对终于的渲染效果影响非常大！

材料的属性设置和光源的设置有些相似，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)

当中，

• face : 在OpenGL ES中仅仅能使用GL_FRONT_AND_BACK，表示改动物体的前面和后面的材质光线属性。
• pname: 參数类型，这些參数用在光照方程。能够取例如以下值：
  
  • GL_AMBIENT
  • GL_DIFFUSE
  • GL_SPECULAR
  • GL_EMISSION
  • GL_SHININESS。
• param：指定反射的颜色。

跟设置光照相似，设置材料属性首先须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：

3 完整的GLRenderer类

最后项目代码就不上传了，直接參考上一篇的文章中的源代码就可以，本位值改动了GLRenderer类，把该类的完整源代码贴上：

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==============================//

        //同意给每一个顶点设置法向量
        gl.glEnableClientState(GL10.GL_NORMAL_ARRAY);
        // 同意设置顶点
        gl.glEnableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
        // 同意设置颜色

        //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)表示窗体内部视口的左下角，(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

        //下面两句声明，以后全部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); // 设置深度缓存比較函数
        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能够算出放缩比例
        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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