Курсовая работа: Построение реалистичных трехмерных изображений в стандарте OpenGL
Нормали
В самом общем случае нормаль к поверхности представляет ее локальную кривизну, и, следовательно, направление зеркального отражения (рис. 5) Применительно к нашим знаниям можно сказать, что нормалью называется вектор, определяющий ориентацию грани (рис. 6). Вектор нормали является одной из характеристик, ассоциированных с каждой вершиной, и для его определения в OpenGL предусмотрены специальные команды:
void glNormal3 [b s i f d] (type coords)
void glNormal3 [b s i f d] v (type coords)
которые присваивают значения координат, заданных параметрами coords, вектору нормали. Аргументы типов GLbyte, GLshort и GLint преобразуются в формат с плавающей точкой и ограничиваются диапазоном [-1.0, 1.0]. В общем случае нормаль, определяемая этими командами, не имеет единицы длины. Однако если включен режим нормализации (выполнена команда glEnable с аргументом GL_NORMALIZE), то нормали, определенные при помощи этой команды, нормализуются после трансформации. По умолчанию нормализация заблокирована, а вектор нормали имеет координаты (0.0, 0.0, 1.0).
Рис. 5. Векторы нормали Рис. 6. Грань и нормаль к ней
Изменять параметры вектора текущей нормали можно в любой момент времени. И, управляя их текущими значениями, можно добиваться очень интересных эффектов, в частности, при освещении объектов.
Свойства материала
Различные материалы по-разному отражают свет. Металл это делает хорошо, а пластиковые поверхности обычно выглядят тусклыми. Кроме того, некоторые поверхности сами излучают свет, например, фосфор. Задавая различные параметры материала, можно управлять тем, насколько блестящим он будет выглядеть, и будет ли он сам излучать свет. На рис. 7 изображены 24 чайника, освещаемые одним источником света.
Рис. 7 Объекты с различными свойствами материала
Что здесь для нас интересно? Прежде всего – сами свойства. В приведенном фрагменте мы устанавливали рассеянный, диффузный и зеркальный цвета материала, причем, только для его лицевой поверхности. Можно ли задавать какие-нибудь еще параметры? Для ответа на этот вопрос рассмотрим команды:
void glMaterial [i f] (GLenum face, GLenum pname, GLtype* params)
и
void glMaterial [i f] v (GLenum face, GLenum pname, GLtype* param)
которые позволяют определить различные свойства материала. Какие именно – зависит от используемых параметров. Параметры материала, как и во многих других случаях, различаются для лицевой и обратной поверхностей. Параметры лицевой поверхности используются для точек, линий, битовых массивов и всех многоугольников, когда заблокировано двустороннее освещение или только для лицевых, если двустороннее освещение разрешено. Параметры для обратных поверхностей определяют затенение невидимых многоугольников, только когда разрешено двустороннее освещение. К каким поверхностям применяются задаваемые параметры, определяется аргументом face:
GL_FRONT лицевые
GL_BACK обратные
GL_FRONT_AND_BACK и те и другие
Аргумент рname определяет, какие параметры материала будут обновляться и может принимать только одно значение – GL_SHININESS, задающее степень зеркального отражения материала для первой версии команды и следующие значения для второй:
| Параметр | Значение |
| GL_AMBIENT |
Параметр params содержит четыре целых или вещественных значения цветов RGBA, которые определяют рассеянный цвет материала. По умолчанию значение рассеянного цвета равно (0.2, 0.2, 0.2, 1.0) |
| GL_DIFFUSE |
Параметр params содержит четыре целых или вещественных значения RGBA, которые определяют цвет диффузного отражения материала. По умолчанию значение диффузного цвета равно (0.8, 0.8, 0.8, 1.0) |
| GL_SPECULAR |
Параметр params содержит четыре целых или вещественных значения RGBA, которые определяют цвет зеркального отражения материала. По умолчанию значение зеркального цвета равно (0.0, 0.0, 0.0, 1.0) |
Последний аргумент – param (s) содержит значение(я), которые присваиваются соответствующему параметру.
Из приведенного описания видно, что, задавая параметры материала, можно управлять тем, насколько блестящим будет выглядеть материал и будет ли он самостоятельно излучать свет. Другими словами, можно определять отражающие свойства материала. Наиболее часто учитываемыми в различных моделях являются диффузный и зеркальный отраженный свет, поскольку диффузное отражение придает объекту его естественный цвет, а зеркальное определяет отражающие свойства поверхности: на очень блестящей поверхности зеркальное отражение приводит к появлению резко очерченных бликов, а для менее блестящих объектов выглядит более тускло.
Таким образом, чтобы объект выглядел блестящим, необходимо сузить угол зеркального отражения, а для тусклых поверхностей наоборот расширить его. Используемые при моделировании математические зависимости показывают, что интенсивность отраженного света определяется не углом отражения, а косинусом этого угла. Например, для модели Фонга зависимость имеет вид
Is= w (i, λ) cosnα,
где w (i, λ) – кривая отражения, представляющая отношение зеркально отраженного света к падающему как функцию угла падения i и длины волны λ, а n – степень, аппроксимирующая пространственное распределение зеркально отраженного света. Зачем я все это описываю? Дело в том, что в OpenGL имеется возможность косвенного управления углом зеркального отражения. Осуществляется это при помощи параметра GL_SHININESS, позволяющего определять именно значение n.
Каждый параметр устанавливается отдельным вызовом команды и, следовательно, не зависит от остальных. Сложность здесь только одна – как определить необходимые значения задаваемых цветов, чтобы получить поверхность того материала, который требуется. Наряду с только что рассмотренной командой, для установки параметров материала в OpenGL реализована еще одна:
void glColorMaterial (GLenum face, GLenum mode)
У этой команды аргумент face может принимать те же значения, что и в команде glMaterial*, а аргумент mode – только значения GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE, GL_AMBIENT, GL_EMISSION, GL_DIFFUSE и GL_SPECULAR. По умолчанию используется GL_AMBIENT_AND_ DIFFUSE. Если разрешен режим GL_COLOR_MATERIAL (вызовом команды glEnable с соответствующим аргументом), то параметры поверхностей материала, заданные аргументами mode и face, принимают значения текущего цвета. В этом случае можно изменять параметры материала для каждой вершины, используя только команду glColor*, без дополнительного вызова glMaterial*, что в некоторых случаях является более удобным.
Грани
Гранью называется сторона многоугольника. Причем в качестве многоугольника могут выступать как простейший треугольник, так и сложный многоугольник. Единственным условием для них является то, что многоугольник любой степени сложности должен лежать в одной плоскости. Отсюда очевидно, что трехмерные объекты состоят из нескольких плоских многоугольников. И для того, чтобы изобразить «гладкий» конус потребуется достаточно большое число плоских многоугольников. Каждый многоугольник имеет две стороны, т.е. две грани, – лицевую и обратную. И на обеих можно «рисовать». Причем, если мы «рисуем» на лицевой грани, а она в данный момент не видна, то мы только тратим время. Очевидно, что только одна грань может быть видима в окне в текущий момент времени. Для того чтобы не тратить время на воспроизведение невидимых граней, во всех графических системах реализованы механизмы, позволяющие различать лицевые и обратные грани. Естественно, что такой механизм есть и в OpenGL. Причем, в отличие от многих других систем, – очень гибкий. При рассмотрении многоугольных примитивов уже говорилось о важности порядка обхода вершин. И связано это именно с гранями – лицевой и обратной. На рис. 8, на котором представлены два возможных способа обходя вершин.
