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Java 移动设备的 3D 图形4
摘要: Java 移动设备的 3D 图形4
在一个没有光线的房间中，所有的东西看上去都是黑的。那么前面的示例中没有光线，怎么还能看到东西呢？顶点颜色和后面即将介绍的材质是不需要光线的，它们永远显示为定义好的颜色。但光线会使它们发生一些变化，可增加景深。
光线的方向会根据对象的位置发生反射。如果您用手电筒垂直地照射您面前的镜子，那么光线会反射到您身上。如果镜子是倾斜的，则光线的入射角和反射角是完全相同的。总的来说，您需要一个与照射平面相垂直的方向向量。这一向量就称为法线向量 或简称为法线。M3G 会根据法线、光源位置和摄像机位置计算着色情况。
此外，法线是各顶点都具备的属性，各顶点之间的像素着色既可采用插值法（PolygonMode.SHADE_SMOOTH）也可从三角形的第三个顶点处选取（PolygonMode.SHADE_FLAT）。由于立方体有 8 个顶点，支持法线的方法之一就是指定从立方体中心指向各角的向量，如图 7a 所示。但这样做可能会导致立方体着色不当。有三个面的颜色可能会相同，其中有些边成为不可见状态，使立方体看上去缺乏棱角。这显然更适合球体，不太适合立方体。图 7b 展示了如何为每边使用 4 条法线 —— 共 24 条，从而创建棱角分明的边线。由于一个顶点只能有一条法线，所以还要复制顶点。
图 7.带有法线向量的立方体：a) 8 条法线；b) 24 条法线（每边 4 条）
可使用法线计算光线后，还需要告诉 M3G 您需要什么类型的光线。光线来源于不同形式：灯泡、太阳、手电筒等等。在 M3G 中的对应术语分别为全向光、定向光和聚光。
全向光是从一个点发出的，并平均地照射各个方向。没有灯罩的灯泡发出的就是这样的光。
定向光向一个方向发出平行的光线。太阳离我们的距离非常远，所以可以将其光线视为平行的。定向光没有位置，只有方向。
手电筒或剧场中使用的聚光灯发射出的光线就是聚光。其光线呈锥形，与圆锥相交的平面上的对象会被照亮。
在真实世界中，光线还会从对象上反射回来而将周围照亮。如果您打开卧室灯，就会发现即便没有能直接照射到床底下的光线，但床下仍会被照亮。Raytracer 通过追踪从摄像机到光源的路径而清晰真实地展示了图像，但需要很长时间。要获得交互式帧频，必须满足一个简单的模型：环境光。环境光以不变的频率从各方向照亮对象。您可以用环境光模拟前面的卧室场景，将所有对象都照亮到一定程度，从而提供了另外一个全向光源。
清单 8 描述了设置不同光线的方法。
清单 8. 设置光线模式
// Create light.
_light = new Light();
_lightMode = LIGHT_OMNI;
setLightMode(_light, _lightMode);
Transform lightTransform = new Transform();
lightTransform.postTranslate(0.0f, 0.0f, 3.0f);
_graphics3d.resetLights();
_graphics3d.addLight(_light, lightTransform);
/**
* Sets the light mode.
*
* @param light light to be modified.
* @param mode light mode.
*/
protected void setLightMode(Light light, int mode)
{
switch (mode)
{
case LIGHT_AMBIENT:
light.setMode(Light.AMBIENT);
light.setIntensity(2.0f);
break;
case LIGHT_DIRECTIONAL:
light.setMode(Light.DIRECTIONAL);
light.setIntensity(1.0f);
break;
case LIGHT_OMNI:
light.setMode(Light.OMNI);
light.setIntensity(2.0f);
break;
case LIGHT_SPOT:
light.setMode(Light.SPOT);
light.setSpotAngle(20.0f);
light.setIntensity(2.0f);
break;
// no default
}
}
在图 8 中，您可以看到各种光线模式的不同效果。分别以 4 种类型的光照射示例立方体。这里的光线均为白色，就在摄像机前面，朝向立方体的三个面。
图 8. 使用不同的光线照射立方体 a) 全向光；b) 聚光；c) 环境光；d) 定向光
全向光在面对光源的顶点处最亮，然后逐渐暗淡下来。另外，聚光在聚光圆锥的边缘处制造了强烈的明暗对比。如果定义了一个足够大的光锥，那么所得到的结果可能与全向光相同。环境光从各个方向照亮立方体，立方体看上去是平的，这是因为缺乏阴影。最后，定向光使每面都具有不同的颜色。每面内的颜色都相同，这是因为光线是平行的。
照明并不精确，否则，聚光照亮的圆锥体范围应该是圆形。这是因为光线计算比较复杂，手机的部件将简化这一计算。可以为立方体的各边添加更多的三角形，从而提高其显示质量。尽管三角形并不能定义一个可见的几何图形，但可使 M3G 拥有更多的控制点（要计算的数量也更多）。
材质
通过光线可实现不同的效果。一个闪闪发光的银色球反射光线的方式与一张纸显然不同。M3G 使用以下属性为这些材质的特征建立模型：
环境反射：由环境光源反射的光线。
漫反射：反射光均匀地分散到各个方向。
放射光：一个像炽热的物体那样发射光线的对象。
镜面反射：光线从有光亮平面的对象反射回来。
您可为各材质属性设置颜色。闪闪发光的银色球的漫反射光线应该是银色的，其镜面反射部分为白色。材质的颜色与光线的颜色相融合，从而得到最终的对象颜色。如果您用蓝光照射银色球，那么球看上去应该略带蓝色。
清单 9 展示了使用材质的方式：
清单 9. 设置材质
// Create appearance and the material.
_cubeAppearance = new Appearance();
_colorTarget = COLOR_DEFAULT;
setMaterial(_cubeAppearance, _colorTarget);
/**
* Sets the material according to the given target.
*
* @param appearance appearance to be modified.
* @param colorTarget target color.
*/
protected void setMaterial(Appearance appearance, int colorTarget)
{
Material material = new Material();
switch (colorTarget)
{
case COLOR_DEFAULT:
break;
case COLOR_AMBIENT:
material.setColor(Material.AMBIENT, 0x00FF0000);
break;
case COLOR_DIFFUSE:
material.setColor(Material.DIFFUSE, 0x00FF0000);
break;
case COLOR_EMISSIVE:
material.setColor(Material.EMISSIVE, 0x00FF0000);
break;
case COLOR_SPECULAR:
material.setColor(Material.SPECULAR, 0x00FF0000);
material.setShininess(2);
break;
// no default
}
appearance.setMaterial(material);
}
setMaterial() 创建了一个新的 Material 对象，通过使用各颜色组件标识符的 setColor() 设置颜色。Material 对象随后被指派给 Appearance 对象，该对象用于调用 Graphics3D.render()。尽管这里没有展示，但您还可以使用 Material.setVertexColorTrackingEnable() 为环境反射和漫反射使用顶点颜色，不必使用 Material.setColor()。LightingMaterialsSample.java 这一示例中实现了光线和材质。按其中的键可以将不同的颜色与材质综合，感受不同的效果。
在图 9 中，用全向光展示了不同的材质特征。各截图都将颜色组件设置为红色，以突出表现其效果。
图 9. 不同的颜色组件：a) 环境反射；b) 漫反射；c) 放射光；d) 镜面反射
环境反射仅对环境光起作用，因此，使用全向光是无效的。漫反射材质组件会造成一种不光滑的表面，而放射光组件则制造出一种发光效果。镜面反射颜色组件强调了发亮的效果。此外，您还可以通过使用更多的三角形改进明暗对比的着色质量。