CG 学习 (3)——片元光照(Fragment Lighting)

       摘要：用一个顶点光照的程序来分析Cg的程序如何写，说明上次封装的一个CGShader如何使用，并简单阐述Phong光照模型的原理。

        1.  顶点程序运行的效果：
         终于到了学编程最激动人心的时刻了，自己动手实现，我们要“以只看不练为耻，以勤于实践为荣”。第一个练习的效果用《The Cg Tutorial》中的第五章中的Fragment Lighting例子。程序中的模型用美丽女神Venus的雕像，渲染为青铜色，该模型是个3DS文件，网上读3DS文件类多如牛毛，随便下载一个导入就行。效果如下图：

         2. 简单的Phong光照模型
         这里的光照模型对经典的Phong光模型进行了修改和扩展，在这个模型里，将一个物体表面最终的颜色分解为以下几项：放射(Emissive)、环境反射(Ambient)、漫反射(Diffuse)和镜面反射(Specular)，物体最终的光照效果由这几个分项光照效果叠加而来。
         放射项： Emissive = Ke                 (Ke代表模型材质的放射光颜色)
         环境反射项： Ambient = Ka X globalAmbient       (其中Ka代表材质的环境反射系数，globalAmbient表示灯光的环境光的颜色)
         漫反射项： Diffuse = Kd X lightColor X max( dot(N, L), 0 )        (其中 Kd为材质的漫反射系数，lightColor是灯光的漫反射光的颜色，N为物体表面的规范化的法向量，L为模型上的点指向灯光的规范化向量。max( dot(N, L), 0 ) 表示取N,L的点积值和零中较大的一个值。
         镜面反射项：Specular = Ks X lightColor X facing X (max(N, H), 0)^shininess  (其中Ks 为材质的漫反射系数，lightColor同上，facing 取值当N, H的点积大于零在facing = 1, 否则facing = 0，max( dot(N, H)的意义同上，shininess 是其指数，H为L和V的中间向量的归一量，V是视点指向物体上一点的向量)
        总体光照效果： finalColor = Emissive + Ambient + Diffuse + Specular

        3.  CGShader的用法
        这个光照效果的实现用到了上次封装的CGShader类，这个练习用到了顶点Shader和片元Shader，其使用步骤如下代码所示：
         (1) 首先定义两个Shader对象：
                   CGShader   vertShader ( " vertShader " );                     //顶点Shader
                  CGShader   fragShader ( " fragShader " );                     //片元Shader
         (2) 初始化及获得两个Shader中的Uniform 变量：       

vertShader.createShader(true, "vertlighting.cg");
fragShader.createShader(false, "fraglighting.cg");

void AddCgParams()
...{
    vertShader.addParam("modelViewProj");
    fragShader.addParam("globalAmbient");
    fragShader.addParam("lights[0].color");
    fragShader.addParam("lights[0].position");
    fragShader.addParam("lights[1].color");
    fragShader.addParam("lights[1].position");
    fragShader.addParam("eyePosition");
    fragShader.addParam("material.Ke");
    fragShader.addParam("material.Ka");
    fragShader.addParam("material.Ks");
    fragShader.addParam("material.Kd");
    fragShader.addParam("material.shininess");
}

      前面两行是从文件载入Cg程序并编译，后面的函数是获得两个Cg程序里面的Uniform变量的，vertShader比较简单，只有一个变量，光照效果用了两个灯光。
       (3) 接着给参数赋值：

void SetParameters()
...{
    fragShader.setParamArrayf("globalAmbient", globalAmbient);
    fragShader.setParamArrayf("lights[0].color", lightColor1);
    fragShader.setParamArrayf("lights[1].color", lightColor2);
    float brassEmissive[3] = ...{0.0f,  0.0f,  0.0f},
        brassAmbient[3]  = ...{0.25f, 0.148f, 0.06475f},
        brassDiffuse[3]  = ...{0.4f, 0.2368f, 0.1036f},
        brassSpecular[3] = ...{0.7746f, 0.4586f, 0.2006f},
        brassShininess = 76.8f;
    fragShader.setParamArrayf("material.Ke", brassEmissive);
    fragShader.setParamArrayf("material.Ka", brassAmbient);
    fragShader.setParamArrayf("material.Ks", brassSpecular);
    fragShader.setParamArrayf("material.Kd", brassDiffuse);
    fragShader.setParam1("material.shininess", brassShininess);
}

        (4)  在绘制函数里面启用Shader并绘制模型

                     Vector4f lightpos1 = Vector4f(100*cos(lightAngle*DEG2RAD), 160, 100*sin(lightAngle*DEG2RAD),1);
    Vector4f lightpos2 = Vector4f(-60, 350, 550, 1);
    Vector4f eyepos   = Vector4f(0,0,400,1);
    Vector4f lightPosition, eyePosition;

    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);    // 清除屏幕和深度缓存

                     //draw model and send it to CG for lighting
    Matrix4f revModelMat, scaleMat, rotateMat, modelMat, viewMat, modleViewMat;
    viewMat.lookAt(eyepos.x,eyepos.y,eyepos.z, 0, 0, 0,  0, 1, 0);

    vertShader.activate();                                     //启用Shader
    fragShader.activate();
    modelMat.rotateX(xrot);
    rotateMat.rotateY(yrot);
    modelMat *= rotateMat;                                   //获得模型的模型变换矩阵
    revModelMat = modelMat; revModelMat.setInverse();
    lightPosition = revModelMat * lightpos1;          //把灯光的位置变换到物体局部空间
    eyePosition   = revModelMat * eyepos;            //把眼睛的位置变换到物体的局部空间
    float lightp[3] = ...{lightPosition.x, lightPosition.y, lightPosition.z};
    float eyep[3]   = ...{eyePosition.x, eyePosition.y, eyePosition.z};
    fragShader.setParamArrayf("lights[0].position", lightp);
    fragShader.setParamArrayf("eyePosition", eyep);
    lightPosition = revModelMat * lightpos2;
    float lightp2[3] = ...{lightPosition.x, lightPosition.y, lightPosition.z};
    fragShader.setParamArrayf("lights[1].position", lightp2);

    modelViewProj = projMatrix * viewMat;
    modelViewProj *= modelMat;
    
    vertShader.setColPriorMatrixf("modelViewProj", (float*)modelViewProj);     //设置模型、视图及投影联合变换矩阵
    SetParameters();                                                                                         //在这里设置参数

    if(model3ds) model3ds->render(ALL_EFFECTS);           //画3DS模型
    vertShader.deactivate();                                               //绘制后停掉Shader
    fragShader.deactivate();

        由于光照处理是在物体空间里进行的，所以要把World Space里的灯光位置和眼睛位置变换到物体的局部空间，这里面涉及到了模型变换矩阵计算，视矩阵计算及一系列的向量及矩阵的运算，其中用到的Matrix4f及Vector4f 及Vector3f 都是自封装的类，实现了向量及矩阵的直观的基本运算。
         (5) 程序结束要释放Cg占用的资源

CGcontext ctx = vertShader.getCGContext();
vertShader.destroyShader();
fragShader.destroyShader();
cgDestroyContext(ctx);                                           //由于同一个程序里只有一个CGContext ，多个Shader公用，只删一次

        4. 结束语：
        作为初学者的第一个练习，这个东西显得略微有点庞大，不过写这么个东西，挺有收获，一下可以了解很多东西，这里面用到的CGShader的封装还很初级，只有一般参数的设置，贴图部分及其他没接触的部分的参数设置还没考虑进去，以后会陆续完善的。终于完成了第一个比较完善的Cg光照程序。