光源

1. 点光源（Point Light）

• 模型简单，用RGB三个分量指定单一颜色发射辐射能。
• 离场景不太近的大光源可视为点光源，光线从光源位置沿径向发散。

2. 方向光（Directional Light）

• 也叫无限远/平行光，光线平行。
• 离场景很远的大光源（如太阳）可近似为点光源，但方向效果变化小。

3. 聚光灯（Spot Light）

• 由局部光源改造，可设置方向向量、角度限制、位置和颜色，物体在光源方向限制外不被照亮。

光照效果

1. 环境光（Ambient Light）

• 是一种通用背景非定向照明，使物体显示固有强度，若无不同阴影，物体呈单色轮廓。
• 由场景中各种表面反射光产生，撞击表面后向各方向均匀散射，方向难以确定，室内背光环境光成分大，室外聚光灯环境光成分小。

2. 漫反射（Diffuse Reflectance）

• 光线从一个方向来，垂直照射表面比斜射更亮，撞击表面后向各方向均匀散射，无论眼睛位置在哪，看起来亮度相同。
• 粗糙或颗粒状表面易向各方向散射反射光，影响照明因素包括点光源强度、材料漫反射系数和入射角。

3. 镜面反射（Specular Reflectance）

• 光线从特定方向来，倾向于在特定方向反射，如激光束从高质量镜子反射。
• 影响因素包括材料镜面反射系数、视角与反射方向的相对角度、光源强度，反射光颜色与光源相同，随着视角偏离反射方向，反射率迅速下降。

衰减（Attenuation）

1. 对于点光源，考虑光因距离产生的衰减，距离衰减模型包含常数、线性和二次项，公式为$f(d)=\frac{1}{k_{c}+k l d+k_{q}d^{2}}$。
2. 方向光因无限远不考虑衰减。

光照模型与着色

1. 光照模型（Lighting Model）

• 计算物体表面光照位置颜色，考虑透明度、颜色反射系数和纹理参数等光学属性，可应用于每个投影位置或通过插值计算表面颜色。

2. Phong模型

• 计算迅速，考虑漫反射、镜面反射和环境光三个分量，使用到光源方向向量、观察方向向量、面法向量和完美反射方向向量四个向量。
• 对于每个点光源有9个系数，与材料属性匹配，模型公式为$I = k_{d}I_{d}l \cdot n + k_{s}I_{s}(v \cdot r)^{\alpha}+k_{a}I_{a}$（不含距离项），每个颜色分量需累加所有光源贡献。

3. 多边形着色（Polygonal Shading）

• 顶点着色（Vertex Shading）：对每个顶点进行着色计算，顶点颜色可作为顶点属性发送到顶点着色器，或在顶点着色器中计算，默认顶点颜色在传递到片元着色器时进行插值（平滑着色），也可用统一变量进行单一颜色着色（平面着色）。
• 平面（恒定）着色（Flat (Constant) Shading）：若三个向量（光源方向、观察方向、法向量）恒定，每个多边形只需计算一次着色，多边形上所有点颜色相同，常用于建模光滑表面，但相邻多边形间小的着色差异可能导致效果不佳。
• 平滑（插值）着色（Smooth (Interpolative) Shading）：光栅化器在多边形上插值顶点颜色，若光源远且无镜面反射或观察者远，多边形以恒定颜色着色。
• Gouraud着色：确定多边形顶点法向量（周围网格顶点法向量平均值），使用光照模型计算顶点像素强度，多边形边缘点强度通过顶点值加权平均计算，顶点强度在多边形表面线性插值。

材质属性

1. 材质颜色取决于对入射红、绿、蓝光线的反射百分比，如红色球在不同颜色光下的反射情况。
2. 材质有环境、漫反射和镜面反射属性，环境反射与入射光源环境光结合，漫反射与光源漫反射光结合，镜面反射同理。环境和漫反射属性定义材质颜色，通常相似，镜面反射通常为白色或灰色，使高光呈现光源镜面强度颜色。
3. 漫反射在决定物体颜色感知中最重要，环境反射影响物体整体颜色，环境反射在无直接光照处最明显，漫反射和环境反射不受视点位置影响，镜面反射产生高光，高光强度取决于视点位置。

OpenGL中的实现

1. 光源与颜色

• 使用glLight*()函数指定光源属性，包括颜色、位置和方向等，函数参数为光源标识、属性和属性值。
• OpenGL中可设置多种光源属性，如环境光、漫反射光、镜面反射光强度、位置、聚光灯方向、指数、截止角、衰减因子等，默认值各有不同。

2. 光源位置与方向

• 光源可视为无限远（方向光）或靠近场景（点光源），通过GL_POSITION参数的w值判断，w = 0为方向光，(x, y, z)描述方向；w ≠ 0为点光源，(x, y, z)指定位置，位置和方向会被模型 - 视图矩阵变换。
• 通过改变光源位置设置点，可实现光源固定、绕静止物体移动或随视点移动三种效果。

3. 聚光灯

• 聚光灯默认关闭（GL_SPOT_CUTOFF为180.0，即向所有方向发光），可设置截止角（范围[0.0, 90.0]，特殊值180.0除外）、指数控制光的集中程度，光强度在锥中心最高，向边缘衰减，方向也会被模型
• 视图矩阵变换。

4. 多光源

• OpenGL场景中最多可有8个光源（取决于实现），增加光源数量会影响性能。
• 示例代码展示了如何定义点光源和聚光灯，包括设置各种属性并启用光源。

5. 全局环境光

• 使用GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT参数指定全局环境光的RGBA强度，即使场景中无特定光源，也可使物体可见。

6. 局部或无限视点

• 视点位置影响镜面反射高光计算，局部视点更真实但性能降低，默认是无限视点，可通过glLightModeli()函数切换。

7. 双面光照

• 通常只设置前向多边形光照条件，后向多边形可能照明不正确，若物体内部表面可见，可通过glMaterial*()函数为前后面提供不同材质属性，该函数用于设置材质属性，参数包括面、属性和属性值，材质属性大多为RGBA颜色，不同面可设置不同属性，alpha值在任何顶点为漫反射材质的alpha值，在颜色索引模式下，RGBA材质属性不适用。

总结

光照与材质对图形渲染有重要影响，需考虑多种因素，包括光源类型、光照效果、光照模型、着色方法等，结合全局环境光和多光源与材质属性，为减少计算量可应用一些近似方法。