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OpenGl实战笔记（3）基于qt5.15.2+mingw64+opengl实现光照变化效果

news 来源：原创 2025/5/7 7:47:09

一、作用原理

1、作用：
增强真实感：通过明暗变化模拟立体和材质。
体现空间感：让物体不再“平面”，更具三维效果。
表现材质特性：模拟金属、塑料等不同表面的反光。
实现动态光影：支持移动光源、阴影、高光等效果。
2、原理
OpenGL 光照效果基于光与表面交互的数学模型，常见为冯氏模型（Phong Model），包括：
环境光 Ambient 整体照亮，无方向，用于模拟环境反射光。
漫反射 Diffuse 与法线夹角有关，光越垂直表面越亮。
高光 Specular 反射光靠近视角方向时产生亮点，表现光滑表面反光。
3、常见光源类型
平行光：有方向，无位置（如太阳）。
点光源：有位置，向各方向发光（如灯泡）。
聚光灯：有方向和角度限制（如手电筒）。

二、实现效果
在这里插入图片描述
三、参考代码

#pragma once// 渲染模块接口定义（用于模块化设计）
#include "RenderModuleInterface.h"// Qt OpenGL 所需的类
#include <QOpenGLFunctions>              // 提供所有 OpenGL ES 2.0 函数
#include <QOpenGLShaderProgram>          // 管理顶点与片元着色器
#include <QOpenGLBuffer>                 // 管理 VBO（顶点缓冲对象）
#include <QOpenGLVertexArrayObject>      // 管理 VAO（顶点数组对象）
#include <QObject>                       // 支持 Qt 的信号槽机制// 光照渲染类，继承自 QObject（用于信号槽）
// 同时实现渲染接口 RenderModuleInterface，并继承 OpenGL 函数支持
class LightingRenderer : public QObject,public RenderModuleInterface,protected QOpenGLFunctions
{
public:// 初始化 OpenGL 状态、着色器、顶点数据等void initialize() override;// 视口大小改变时调用，设置 OpenGL 视口void resize(int w, int h) override;// 渲染主函数，绘制一帧图像void render() override;public slots:// 每帧更新函数，用于驱动动画等逻辑void onFrameUpdate();private:QOpenGLShaderProgram shader;         // 着色器程序对象（包含顶点 + 片元着色器）QOpenGLBuffer vbo;                   // 顶点缓冲对象，用于存储顶点数据QOpenGLVertexArrayObject vao;        // 顶点数组对象，保存顶点属性配置int width = 0, height = 0;           // 当前窗口宽高，用于设置视口bool isInitialized = false;          // 标志位，确保只初始化一次float t = 0.0f;                      // 用于控制动画变化的时间参数（如光源移动等）
};
#include "LightingRenderer.h"
#include <QMatrix4x4>
#include <QVector3D>
#include <QtMath>// 顶点着色器：传递位置、法线，并计算世界坐标和变换后的法线
static const char* lightingVert = R"(
#version 330 core
layout(location = 0) in vec3 position;
layout(location = 1) in vec3 normal;out vec3 FragPos;
out vec3 Normal;uniform mat4 u_mvp;   // 模型-视图-投影矩阵
uniform mat4 u_model; // 模型矩阵，用于变换法线和世界坐标void main()
{FragPos = vec3(u_model * vec4(position, 1.0));              // 计算世界坐标Normal = mat3(transpose(inverse(u_model))) * normal;        // 法线矩阵（保持正确方向）gl_Position = u_mvp * vec4(position, 1.0);                  // 最终顶点位置
})";// 片元着色器：实现漫反射光照
static const char* lightingFrag = R"(
#version 330 core
in vec3 FragPos;
in vec3 Normal;
out vec4 FragColor;uniform vec3 lightDir;     // 光照方向（单位向量）
uniform vec3 lightColor;   // 光颜色
uniform vec3 objectColor;  // 物体基础颜色void main()
{// 漫反射分量（dot 表示光与法线夹角余弦）float diff = max(dot(normalize(Normal), -lightDir), 0.0);vec3 result = diff * lightColor * objectColor;FragColor = vec4(result, 1.0);  // 输出最终颜色
})";
void LightingRenderer::initialize()
{if (isInitialized) return;          // 防止重复初始化initializeOpenGLFunctions();        // 初始化 OpenGL 函数表if (shader.isLinked()) return;// 三角形顶点（每个顶点包含位置 + 法线，共 6 个 float）GLfloat vertices[] = {// position         // normal-0.5f, -0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.0f, 1.0f,0.5f, -0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.0f, 1.0f,0.0f,  0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.0f, 1.0f};// 编译并链接着色器程序shader.addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Vertex, lightingVert);shader.addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Fragment, lightingFrag);shader.link();shader.bind(); // 绑定以设置属性// 创建 VAO（保存所有绑定状态）vao.create();vao.bind();// 创建并填充 VBOvbo.create();vbo.bind();vbo.allocate(vertices, sizeof(vertices));// 设置属性 location 0（位置）和 location 1（法线）shader.enableAttributeArray(0);shader.setAttributeBuffer(0, GL_FLOAT, 0, 3, 6 * sizeof(float));shader.enableAttributeArray(1);shader.setAttributeBuffer(1, GL_FLOAT, 3 * sizeof(float), 3, 6 * sizeof(float));// 解绑vao.release();vbo.release();shader.release();isInitialized = true;
}
void LightingRenderer::resize(int w, int h)
{glViewport(0, 0, w, h);  // 设置 OpenGL 渲染区域width = w;height = h;
}
void LightingRenderer::render()
{glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);glEnable(GL_DEPTH_TEST);  // 启用深度测试shader.bind();vao.bind();// 构造变换矩阵QMatrix4x4 model, view, proj;model.setToIdentity(); // 没有旋转缩放view.lookAt(QVector3D(0, 0, 2), QVector3D(0, 0, 0), QVector3D(0, 1, 0));proj.perspective(45.0f, float(width) / height, 0.1f, 10.0f);// 设置 uniform 变量QMatrix4x4 mvp = proj * view * model;shader.setUniformValue("u_mvp", mvp);shader.setUniformValue("u_model", model);// 动态光源方向（左右摆动）QVector3D lightDir = QVector3D(qSin(t), 0, -1).normalized();shader.setUniformValue("lightDir", lightDir);shader.setUniformValue("lightColor", QVector3D(1, 1, 1)); // 白光shader.setUniformValue("objectColor", QVector3D(1.0f, 0.5f, 0.3f)); // 橘色// 绘制三角形glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);vao.release();shader.release();
}
void LightingRenderer::onFrameUpdate()
{t += 0.03f;                  // 控制光源角度变化if (t > 2 * M_PI) t -= 2 * M_PI;
}
//使用
modules["光照效果"] = new LightingRenderer();
modules["光照效果"]->initialize();
if (auto* light = dynamic_cast<LightingRenderer*>(modules["光照效果"]))connect(this, &OpenGLSceneWidget::frameSwapped, light, &LightingRenderer::onFrameUpdate);