房间内的光源表现异常

Question

我已经编写了几个Android应用程序，但这是我第一次接触3D编程。

我创建了一个房间（4面墙、天花板和地板），里面放置了一些物体，并且可以像步行一样移动摄像机。我使用各种图像对所有表面进行了纹理处理，一切都按预期工作。

为了情境说明，房间宽14个单位，深16个单位（以原点为中心），高3个单位（离原点1个单位以上，2个单位以下）。房间中间有两个物体，一个立方体和一个倒置的金字塔。

接着我想添加一个光源来给立方体和金字塔上色。我阅读了一些NeHe的端口并遵循了其中几个，所以我将在照明课程中工作的内容应用到我的新代码中。

gl.glEnable(GL10.GL_LIGHTING);
gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_AMBIENT, new float[] { 0.1f, 0.1f, 0.1f, 1f }, 0);
gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_DIFFUSE, new float[] { 1f, 1f, 1f, 1f }, 0);
gl.glLightfv(GL10.GL_LIGHT0, GL10.GL_POSITION, new float[] { -4f, 0.9f, 6f, 1f }, 0);
gl.glEnable(GL10.GL_LIGHT0);

结果是立方体和金字塔没有受到阴影的影响。它们在对面光线的侧面上看起来与朝向光源的侧面相同。当摄像机直接远离光源时，房间看起来就像我添加灯光代码之前一样。当我旋转摄像机面向光源时，整个房间（包括物体）变暗，直到摄像机直接面对光源时完全变黑。

这是怎么回事？我读了很多关于照明和其工作原理的文章，但我没有看到任何迹象表明为什么这不会照亮房间的所有侧面，并根据光源位置使立方体和金字塔受到阴影的影响。因为光源在“内部”，所以是否有一些预期的光行为？或者我只是因为新手而错过了一些简单的东西？

- atheaos

Answer 1

每个三维世界中的物体都有一个normal，它帮助OpenGL确定物体需要反射多少光。您可能忘记为表面指定法线。如果没有指定它们，OpenGL将以相同的方式照亮您世界中的所有物体。

为了在三维中获取表面的法线，您需要至少三个顶点，这意味着它至少是一个三角形。

示例内容：

为了计算表面的法线，您需要两个向量。由于在三维空间中有三个顶点，这意味着这些样本点可以包含一个三角形：

// Top triangle, three points in 3D space.
vertices = new float[] {
   -1.0f, 1.0f, -1.0f,
   1.0f, 1.0f, -1.0f,
   0.0f, 1.0f, -1.0f,
}

有了这三点，现在你可以用以下方式定义两个向量：

// Simple vector class, created by you.
Vector3f vector1 = new Vector3f();
Vector3f vector2 = new Vector3f();

vector1.x = vertices[0] - vertices[3];
vector1.y = vertices[1] - vertices[4];
vector1.z = vertices[2] - vertices[5];

vector2.x = vertices[3] - vertices[6];
vector2.y = vertices[4] - vertices[7];
vector2.z = vertices[5] - vertices[8];

现在当你有两个向量时，你最终可以通过使用叉积来得到表面的法线。简单来说，叉积是一种操作，它会生成一个包含与输入向量垂直的角度的新向量。这就是我们需要的法线。

要在代码中获得叉积，你必须编写自己的方法来计算它。理论上，你可以根据以下公式计算叉积:

A X B = (A.y * B.z - A.z * B.y, A.z * B.x - A.x * B.z, A.x * B.y - A.y * B.x)

在代码中（使用上面的向量）：

public Vector3f crossProduct(Vector3f vector1, Vector3f vector2) {
    Vector3f normalVector = new Vector3f();

    // Cross product. The normalVector contains the normal for the
    // surface, which is perpendicular both to vector1 and vector2.
    normalVector.x = vector1.y * vector2.z - vector1.z * vector2.y;
    normalVector.y = vector1.z * vector2.x - vector1.x * vector2.z;
    normalVector.z = vector1.x * vector2.y - vector1.y * vector2.x;

    return normalVector;
}

在进一步讨论之前，你可以将法线指定为数组，并在需要时将其放入OpenGL中，但如果你深入研究此主题，你对此的理解会更好，你的代码也会更加灵活。

现在我们有了一个法线，你可以循环遍历它，将向量值分配给法线数组（类似于NeHe的端口，但是动态的），并设置OpenGL使用GL_NORMAL_ARRAY以便正确地反射光线到物体上。

gl.glEnableClientState(GL10.GL_NORMAL_ARRAY);

// I'm assuming you know how to put it into a FloatBuffer.
gl.glNormalPointer(GL10.GL_FLOAT, 0, mNormalsBuffer);

// Draw your surface...

另外一个最后的评论; 如果你正在使用其他顶点值（如5.0f、10.0f或更大），你可能需要标准化从crossProduct()方法返回的向量，以获得一些性能。否则OpenGL必须计算新向量以获取单位向量，这可能是一个性能问题。

此外，你的GL_POSITION的new float[] {-4f, 0.9f, 6f, 1f}不太正确。当第四个值设置为1.0f时，这意味着光源位置是0, 0, 0，无论前三个值是什么。为了指定光源位置的向量，将第四个值更改为0.0f。

- Wroclai

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啊！好的，我一直错过了NeHe示例中调用glNormal3f的行，因为他使用的都是简单的表面，不需要像你展示的那样计算它们。由于我已经完全使用条带和风扇制作了房间，所以在测试之前我需要实现一些规范化操作。感谢您详细解释如何计算法线。 - atheaos

Answer 2

每帧都需要重新加载光源位置，否则光源会随着相机移动，这可能不是您想要的。此外，您所描述的着色与顶点插值照明完全一致。如果您想要更好的效果，您将需要按像素进行处理（这意味着实现自己的着色器），或者对几何图形进行细分。

- Mikola

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有趣的是，我在阅读关于光线的文章时没有涉及到移动相机的信息，因此他们没有提到位置需要随着移动进行更新。 - atheaos