OpenGL超級寶典學習筆記——陰影

陰影

影（又稱影子、背影），光線被不透明物體阻檔而產生的黑暗范圍，與光源的方向相反。影的橫切面是二維輪廓、阻檔光線物體的倒轉投影。影的大小、形狀隨光線的入射角而改變。（維基百科）在場景中添加陰影可以使得場景更加逼真。下面兩幅圖是有無陰影效果的對比：

如何制造陰影？

簡單地做法，我們可以通過把源物體壓平在物體表面所處的平面上，來制造陰影效果。然後被壓平的物體用黑色或深色進行繪制。通過操作高級矩陣的方式，來把物體壓平到其他表面上。

被壓平的效果

我們需要壓平的模型視圖投影矩陣，以使得所有被繪制的物體都會被壓平到陰影所處的二維平面上。無論物體朝哪個方向，都會被投影到陰影所在的平面上。在此需要考慮兩種情況，光源離物體的距離以及光源的照射方向。光源的方向決定了陰影的形狀和大小。就像在一天中的不同時段，人站在太陽底下，影子會隨著太陽的位置而變化。

在math3d庫中，有一個函數m3dMakePlanarShadowMatrix，它接受的參數包括一個陰影所處平面的平面方程（3個點不能位於一條直線上），光源的位置，返回的是一個變換矩陣。用當前的模型視圖矩陣乘以這個矩陣，隨後的所有被繪制的物體都會被壓平到這個投影平面上。

void m3dMakePlanarShadowMatrix(M3DMatrix44f proj, const M3DVector4f planeEq, const M3DVector3f vLightPos)
{
  // These just make the code below easier to read. They will be 
  // removed by the optimizer.  
  float a = planeEq[0];
  float b = planeEq[1];
  float c = planeEq[2];
  float d = planeEq[3];
  float dx = -vLightPos[0];
  float dy = -vLightPos[1];
  float dz = -vLightPos[2];
  // Now build the projection matrix
  proj[0] = b * dy + c * dz;
  proj[1] = -a * dy;
  proj[2] = -a * dz;
  proj[3] = 0.0;
  proj[4] = -b * dx;
  proj[5] = a * dx + c * dz;
  proj[6] = -b * dz;
  proj[7] = 0.0;
  proj[8] = -c * dx;
  proj[9] = -c * dy;
  proj[10] = a * dx + b * dy;
  proj[11] = 0.0;
  proj[12] = -d * dx;
  proj[13] = -d * dy;
  proj[14] = -d * dz;
  proj[15] = a * dx + b * dy + c * dz;
  // Shadow matrix ready
}
  

陰影例子

為了演示陰影的效果，我們把噴氣式飛機懸空，然後在其上面放置一個光源，制造一個飛機投影到地面的陰影效果。

下面的例子，我們在SetupRC中創建一個陰影矩陣，並用全局變量保存它。在RenderScene中使用。

GLfloat lightPos = {-75.0f, 150.0f, -50.0f, 0.0f};

...

//陰影矩陣

M3DMatrix44f shadowMat;

...

void SetupRC()

{

  //投影平面上的三個不處於同一直線上的點

  M3DVector3f points[3] = {{-30.0f, -149.0f, -20.0f},

    {-30.0f, -149.0f, 20.0f},

    {40.0f, -149.0f, 20.0f}};

  glEnable(GL_DEPTH_TEST);

  glFrontFace(GL_CCW);

  glEnable(GL_CULL_FACE);

  //Enable lighting

  glEnable(GL_LIGHTING);

....

  //構造投影平面

  M3DVector4f vPlaneEquation;

  m3dGetPlaneEquation(vPlaneEquation, points[0], points[1], points[2]);

  //計算投影矩陣

  m3dMakePlanarShadowMatrix(shadowMat, vPlaneEquation, lightPos);

  ...

}

在RenderScene中，我們先繪制地面，然後畫噴氣式飛機。然後恢復模型視圖矩陣乘以陰影矩陣，然後我們再次繪制噴氣式飛機（此過程要關掉深度測試）。飛機的投影和地面處於同一個位置，在一般情況下後面畫的那個物體會疊在之前的物體上面被顯示。但有的時候，會導致z-figinting，從而產生混亂。

代碼如下：

void RenderScene(void)
{
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
  //繪制地板
  glBegin(GL_QUADS);
    glColor3ub(0, 32, 0);
    glVertex3f(400.0f, -150.0f, -200.0f);
    glVertex3f(-400.0f, -150.0f, -200.0f);
    glColor3ub(0, 235, 0);
    glVertex3f(-400.0f, -150.0f, 200.0f);
    glVertex3f(400.0f, -150.0f, 200.0f);
  glEnd();
  //畫懸空的噴氣式飛機
  glPushMatrix();
    //開啟光照
    glEnable(GL_LIGHTING);
    glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPos);
    //旋轉
    glRotatef(xRot, 1.0f, 0.0f, 0.0f);
    glRotatef(yRot, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
    DrawJet(0);
    //關閉光照
    glDisable(GL_DEPTH_TEST);
    glDisable(GL_LIGHTING);
  glPopMatrix();
  //畫陰影
  glPushMatrix();
    //乘以壓平的陰影矩陣
    glMultMatrixf((GLfloat*)shadowMat);
    //旋轉
    glRotatef(xRot, 1.0f, 0.0f, 0.0f);
    glRotatef(yRot, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
    DrawJet(1);
  glPopMatrix();
  //畫光源位置,用小黃球模擬
  glPushMatrix();
    glTranslatef(lightPos[0], lightPos[1], lightPos[2]);
    glColor3ub(255, 255, 0);
    glutSolidSphere(3.0, 15, 15);
  glPopMatrix();
  glEnable(GL_DEPTH_TEST);
  // Display the results
  glutSwapBuffers();
}

運行的效果

OpenGL超級寶典 第4版 中文版PDF+英文版+源代碼 見 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-10/91413.htm

OpenGL編程指南（原書第7版）中文掃描版PDF 下載 http://www.linuxidc.com/Linux/2012-08/67925.htm

OpenGL 渲染篇 http://www.linuxidc.com/Linux/2011-10/45756.htm

Ubuntu 13.04 安裝 OpenGL http://www.linuxidc.com/Linux/2013-05/84815.htm

OpenGL三維球體數據生成與繪制【附源碼】 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-04/83235.htm

Ubuntu下OpenGL編程基礎解析 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-03/81675.htm

如何在Ubuntu使用eclipse for c++配置OpenGL http://www.linuxidc.com/Linux/2012-11/74191.htm

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