qt + opengl 給立方體增加陰影

在前幾篇文章里面學會了通過opengl實現一個立方體，那么這篇我們來學習光照。

風氏光照模型的主要結構由3個分量組成：環境(Ambient)、漫反射(Diffuse)和鏡面(Specular)光照。下面這張圖展示了這些光照分量看起來的樣子：

1 環境光照(Ambient Lighting)：即使在黑暗的情況下，世界上通常也仍然有一些光亮（月亮、遠處的光），所以物體幾乎永遠不會是完全黑暗的。為了模擬這個，我們會使用一個環境光照常量，它永遠會給物體一些顏色。

2 漫反射光照(Diffuse Lighting)：模擬光源對物體的方向性影響(Directional Impact)。它是風氏光照模型中視覺上最顯著的分量。物體的某一部分越是正對著光源，它就會越亮。

3 鏡面光照(Specular Lighting)：模擬有光澤物體上面出現的亮點。鏡面光照的顏色相比于物體的顏色會更傾向于光的顏色。

我們運行下結果如下：

1 我們設置頂點著色器

#version 330 core
//頂點著色器uniform mat4 mvp_matrix;
uniform mat4 model_matrix;layout (location = 0) in vec3 a_position;   //空間坐標
layout (location = 1) in vec3 aColor;   //顏色
layout (location = 2) in vec2 a_texcoord; //紋理out vec3 FragPos;
out vec2 outtexcoord;
out vec3 outclolor;
uniform  mat4 model;
uniform  mat4 view;
uniform  mat4 projection;
out vec3 Normal;void main()
{gl_Position =  projection*view* model * vec4(a_position, 1.0);outtexcoord = a_texcoord;outclolor = aColor; 
}

在設置片段著色器

#version 330 core
//像素著色器
in vec2 outtexcoord;
in vec3 outclolor;
out vec4 FragColor;
in vec3 FragPos;
in vec3 Normal;
uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 viewPos;
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 objectColor;
uniform sampler2D texture;void main()
{//ambient 環境光照float ambientStrength = 0.1; //環境因子vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;//環境因子*光照顏色vec3 result = ambient * objectColor;//環境因子*光照位置*物體顏色FragColor = vec4(result, 1.0);}

上立方體代碼

#include "widget.h"
#include <QOpenGLShaderProgram>
#include <QOpenGLTexture>
#include <QMouseEvent>
#include <QDateTime>
#include <QtMath>
#include "ui_widget.h"#include <QOpenGLShaderProgram>
#include <QOpenGLTexture>
#include <QMouseEvent>//GLfloat light_ambient[4]={0.5, 0.5, 0.5, 1.0};
//GLfloat light_diffuse[4]={1.0, 1.0, 1.0, 1.0};
//GLfloat light_position[4]={0.0, 0.0, 2.0, 0.0};GLfloat LightAmbient[4] = {0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f};  //環境光參數
GLfloat LightDiffuse[4] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};  //漫散光參數
GLfloat LightPosition[4] = {0.0f, 0.0f, 2.0f, 1.0f}; //光源位置
//模型主動刷新幀率
#define ACTION_FPS  60
#define LIGHT_COLOR QVector3D(1.2f, 1.0f, 2.0f)
#define EYE_CENTER  QVector3D(0.0, 0.0, 3.0)
#define LIGHT_POS   QVector3D(2.5f, 2.0f, -1.0f)static const char *vertexShaderSource ="#version 330\n""layout (location = 0) in vec4 vertex;\n""layout (location = 1) in vec4 texCoord;\n""out vec4 texc;\n""out vec3 ourColor;\n""uniform  mat4 model;\n""void main(void)\n""{\n""    gl_Position = model * vertex;\n""    texc = texCoord;\n""}\n";static const char *fragmentShaderSource ="#version 330\n""uniform sampler2D texture;\n""in vec3 ourColor;\n""in vec4 texc;\n""void main(void)\n""{\n""    gl_FragColor = texture2D(texture, texc.st)* vec4(1.0f, 0.5f, 0.5f, 1.0);\n""}\n";static const char *vertex1ShaderSource ="#version 330\n""layout (location = 0) in vec4 aPos;\n""layout (location = 1) in vec4 aColor;\n""uniform mat4 model;\n""uniform mat4 view;\n""uniform mat4 projection;\n""out vec4 FragPos;\n""out vec4 Normal;\n""void main(void)\n""{\n"//"    FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));\n"// "    Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;\n""    gl_Position = projection * view * model * aPos;\n""}\n";
static const char *vertex2ShaderSource ="#version 330\n""layout (location = 0) in vec4 aPos;\n""out vec3 result;\n""uniform mat4 model;\n""uniform mat4 view;\n""uniform mat4 projection;\n""uniform vec3 objectColor;\n""uniform vec3 lightColor;\n""uniform float ambientStrength;\n""void main(void)\n""{\n""   gl_Position = projection * view * model * aPos;\n""   vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;\n""   result = ( ambient   ) * objectColor;\n""}\n";
static const char *fragment1ShaderSource ="#version 330\n""in vec3 FragPos;\n""in vec3 Normal;\n""uniform vec3 lightPos;\n""uniform vec3 viewPos;\n""uniform vec3 objectColor;\n""uniform vec3 lightColor;\n""void main(void)\n""{\n"// ambient" float ambientStrength = 0.1;\n"" vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;\n"// diffuse" vec3 norm = normalize(Normal);\n"" vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);\n"" float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);\n"" vec3 diffuse = diff * lightColor; \n"// specular" float specularStrength = 0.5;\n"" vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);\n"" vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);\n"" float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);\n"" vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor;\n"" vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * objectColor;\n"" gl_FragColor = vec4(result, 1.0);\n""}\n";
static const char *vertexLight1Source ="#version 330\n""layout (location = 0) in vec4 aPos;\n""layout (location = 1) in vec4 aColor;\n""uniform mat4 matrix;\n""uniform mat4 view;\n""uniform mat4 projection;\n""void main(void)\n""{\n""    gl_Position =   projection * view * matrix * aPos;\n""}\n";//       " gl_FragColor = texture2D(texture, texc.st) *vec4(1.0f, 0.5f, 0.5f, 1.0);\n"
static const char *fragmentLight1Source ="#version 330\n""out vec4 FragColor;\n""void main(void)\n""{\n""FragColor = vec4(1.0);\n""}\n";//static const char *vertexLightSource =
//    "#version 330\n"
//    "layout (location = 0) in vec4 aPos;\n"
//    "layout (location = 1) in vec4 aTexCord;\n"
//    "uniform mat4 matrix;\n"
//    "uniform mat4 view;\n"
//    "uniform mat4 projection;\n"
//    "out vec4 texc;\n"
//    "void main(void)\n"
//    "{\n"
//    "    gl_Position =   projection * view * matrix * aPos;\n"
//        " texc = aTexCord;\n"
//    "}\n";" gl_FragColor = texture2D(texture, texc.st) *vec4(1.0f, 0.5f, 0.5f, 1.0);\n"
//static const char *fragmentLightSource =
//      "#version 330\n"
//      "out vec4 FragColor;\n"
//       "uniform sampler2D texture;\n"
//      "in vec4 texc;\n"
//      "uniform vec3 objectColor;\n"
//      "uniform vec3 lightColor;\n"
//      "void main(void)\n"
//      "{\n"
//        "gl_FragColor = vec4(lightColor * objectColor, 1.0);\n"
//      "}\n";Widget::Widget():QOpenGLWidget(),m_xRos(0),m_yRos(0)
{cam = QVector3D(m_xRos, m_yRos, m_zRos);cameraPos = QVector3D(0, 0, 3);timer = new QTimer;timer->setInterval(20);connect(timer,&QTimer::timeout,this,[=]{qDebug()<<"timeout";//       m_xRos+=30;//       m_yRos+=30;//rotateBy(2 * 16, +2 * 16, -1 * 16);rotateBy(10 * 16, +10 * 16, -1 * 16);});timer->start();
}
Widget::~Widget()
{makeCurrent();vbo.destroy();for (int i = 0; i < 6; ++i)delete textures[i];delete program;doneCurrent();
}QSize Widget::minimumSizeHint() const
{return QSize(400, 400);
}QSize Widget::sizeHint() const
{return QSize(400, 400);
}void Widget::rotateBy(int xAngle, int yAngle, int zAngle)
{xRot += xAngle;yRot += yAngle;zRot += zAngle;update();timer->stop();
}void Widget::setClearColor(const QColor &color)
{clearColor = color;update();
}void Widget::initializeGL()
{/*vertices = {// ---- 位置----   - 紋理坐標 -      ---- 顏色 ----0.5f, -0.5f, -0.5f,   1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,-0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,   0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,0.5f, 0.5f, -0.5f,    1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, -0.5f,   1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,   0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,    1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f,0.5f, -0.5f, 0.5f,   1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, -0.5f,   0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,    1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f,-0.5f, -0.5f, -0.5f,  1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,-0.5f, -0.5f, 0.5f,  0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,   0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,   1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f,0.5f, -0.5f, 0.5f,   1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,-0.5f, -0.5f, 0.5f,  0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,-0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,0.5f, -0.5f, -0.5f,  1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f,-0.5f, -0.5f, 0.5f,   1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,0.5f, -0.5f, 0.5f,   0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,    0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,    1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f,};*/vertices = {// ---- 位置----   - 紋理坐標 -      ---- 顏色 ----0.5f, -0.5f, -0.5f,  1.0f, 1.0f, 1.0f,        1.0f, 1.0f,-0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,        0.0f, 1.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,  0.0f, 0.0f, 0.0f,        0.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, -0.5f,   1.0f, 0.0f, 1.0f,        1.0f, 0.0f,//10.5f, 0.5f, -0.5f,   1.0f, 1.0f, 1.0f,        1.0f, 1.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f, 0.0f,        0.0f, 1.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,   0.0f, 0.0f, 0.0f,        0.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,    1.0f, 0.0f, 1.0f,        1.0f, 0.0f,//20.5f, -0.5f, 0.5f,   1.0f, 1.0f, 1.0f,          1.0f, 1.0f,0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f, 0.0f,          0.0f, 1.0f,0.5f, 0.5f, -0.5f,   0.0f, 0.0f, 0.0f,          0.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,    1.0f, 0.0f, 1.0f,          1.0f, 0.0f,//3-0.5f, -0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,         1.0f, 1.0f,-0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,         0.0f, 1.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,  0.0f, 0.0f, 0.0f,         0.0f, 0.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,  1.0f, 0.0f, 1.0f,         1.0f, 0.0f,//40.5f, -0.5f, 0.5f,     1.0f, 1.0f, 1.0f,       1.0f, 1.0f,-0.5f, -0.5f, 0.5f,   0.0f, 1.0f, 0.0f,       0.0f, 1.0f,-0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f, 0.0f, 0.0f,         0.0f, 0.0f,0.5f, -0.5f, -0.5f,   1.0f, 0.0f, 1.0f,        1.0f, 0.0f,//5-0.5f, -0.5f, 0.5f,1.0f,   1.0f, 1.0f, 1.0f,      1.0f,0.5f, -0.5f, 0.5f,0.0f,   0.0f, 1.0f, 0.0f,      1.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f, 0.0f,   0.0f, 0.0f, 0.0f,      0.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f,   1.0f, 0.0f, 1.0f,      0.0f,};GLushort indices[36] ={/*** 每兩個三角形渲染一個面* 注意節點順序，因為開啟了遮擋剔除(glEnable(GL_CULL_FACE)),opengl是根據頂點順序決定三角形法線方向的,順時針順序算出來* 三角形是朝里的就不畫了,所以 0 3 1 會導致該三角形不顯示,后面的三角形同樣的道理注意頂點順序*///Face 00,  1 , 3, //triangle12,  0,  3, //triangle2//Face 14,  5,  7, //triangle36,  4,  7, //triangle4//Face 28,  9,  11, //triangle510,  8,  11, //triangle6//Face 312,  13,  15, //triangle714,  12,  15, //triangle8//Face 416,  17,  19, //triangle918,  16,  19, //triangle10//Face 520,  21,  23, //triangle1122,  20,  23, //triangle12};initializeOpenGLFunctions();// makeObject();//#define PROGRAM_VERTEX_ATTRIBUTE 0//#define PROGRAM_TEXCOORD_ATTRIBUTE 1//    lightinhProgram = new QOpenGLShaderProgram;
//    lightinhProgram->addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Vertex, ":/Diffuse.vs");
//    lightinhProgram->addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Fragment,":/Diffuse.fs");
//    lightinhProgram->link();
//    lightinhProgram->bind();//激活Program對象program = new QOpenGLShaderProgram;program->addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Vertex, ":/shader.vs");program->addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Fragment,":/shader.fs");program->link();program->bind();//激活Program對象vbo.create();vbo.bind();              //綁定到當前的OpenGL上下文,vbo.allocate(vertices.constData(), vertices.count() * sizeof(GLfloat));//初始化VAO,設置頂點數據狀態(頂點，法線，紋理坐標等)vao.create();vao.bind();//    indexBuf.create();
//    indexBuf.bind();
//    indexBuf.allocate(indices, 36 * sizeof(GLushort));for (int j = 0; j < 6; ++j){textures[j] = new QOpenGLTexture(QImage(QString(":/cube%1.png").arg(j+1)).mirrored());textures[j]->setMinMagFilters(QOpenGLTexture::LinearMipMapLinear,QOpenGLTexture::Linear);textures[j]->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionS, QOpenGLTexture::ClampToEdge);textures[j]->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionT, QOpenGLTexture::ClampToEdge);}program->setAttributeBuffer(0, GL_FLOAT, 0,                  3, 8 * sizeof(float));   //設置aPos頂點屬性program->setAttributeBuffer(1, GL_FLOAT, 3 * sizeof(float),  3, 8 * sizeof(float));   //設置aColor頂點顏色program->setAttributeBuffer(2, GL_FLOAT, 6 * sizeof(float),  2, 8 * sizeof(float));   //設置aColor頂點顏色program->enableAttributeArray(0); //使能aPos頂點屬性program->enableAttributeArray(1); //使能aColor頂點顏色program->enableAttributeArray(2); //使能aColor頂點顏色program->setUniformValue("texture", 0);//    lightinhProgram->setAttributeBuffer(0, GL_FLOAT, 0,                  3, 8 * sizeof(float));   //設置aPos頂點屬性
//    lightinhProgram->enableAttributeArray(0); //使能aPos頂點屬性projection.setToIdentity();projection.perspective(45,(float)width()/height(),2.0,45.0);//構建透視矩陣,這個可以是固定寫法//projection.perspective(45,(float)width()/height(),0.1,100);//構建透視矩陣,這個可以是固定寫法program->setUniformValue("projection", projection);//program1->setUniformValue("projection", projection);//program->setUniformValue("texture", 0);//    vao.release();//    vbo.release();
}void Widget::paintGL()
{glClearColor(0.1f, 0.1f, 0.1f, 1.0f);  //設置清屏顏色// glClearColor(0.1f,0.5f,0.7f,1.0f);  //設置清屏顏色glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);//開啟深度測試glEnable(GL_DEPTH_TEST);//開啟遮擋剔除glEnable(GL_CULL_FACE);QMatrix4x4 m;m.translate(0.0f, 0.0f, 0.0f);m.rotate(xRot / 16.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f);m.rotate(yRot / 16.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f);m.rotate(zRot / 16.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);m.scale(0.5);QMatrix4x4 modelmatrix;//平移至左下角modelmatrix.translate(0.0f, 0.0f, 0.0f);//鼠標滾動旋轉角度modelmatrix.rotate(xRot / 16.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f);modelmatrix.rotate(yRot / 16.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f);modelmatrix.rotate(zRot / 16.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);//滾輪縮放modelmatrix.scale(0.5);program->setUniformValue("model", modelmatrix);QMatrix4x4 view;view.lookAt(EYE_CENTER, QVector3D(0, 0, -20), QVector3D(0, 1, 0));program->setUniformValue("view", view);program->setUniformValue("lightColor", QVector3D(1.0f, 1.0f, 1.0f));//燈光顏色program->setUniformValue("objectColor", QVector3D(1.0f, 0.5f, 0.3f));//物體顏色for (int i = 0; i < 6; ++i) {textures[i]->bind();glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, i * 4, 4);}
}
void Widget::resizeGL(int width, int height)
{this->glViewport(0,0,width,height);                //定義視口區域
}void Widget::mousePressEvent(QMouseEvent *event)
{lastPos = event->pos();
}void Widget::mouseMoveEvent(QMouseEvent *event)
{int dx = event->x() - lastPos.x();int dy = event->y() - lastPos.y();if (event->buttons() & Qt::LeftButton) {rotateBy(8 * dy, 8 * dx, 0);} else if (event->buttons() & Qt::RightButton) {rotateBy(8 * dy, 0, 8 * dx);}lastPos = event->pos();
}void Widget::mouseReleaseEvent(QMouseEvent * /* event */)
{// emit clicked();
}
#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H#include <QWidget>#include <QOpenGLWidget>
#include <QOpenGLExtraFunctions>
#include <QOpenGLBuffer>
#include <QOpenGLShaderProgram>
#include <QOpenGLVertexArrayObject>
#include <QTimer>
#include <QOpenGLTexture>
#include <QOpenGLWidget>
#include <QOpenGLFunctions>
#include <QOpenGLBuffer>
#include <QOpenGLVertexArrayObject>
#include <QTimer>namespace Ui {
class Widget;
}QT_FORWARD_DECLARE_CLASS(QOpenGLShaderProgram);
QT_FORWARD_DECLARE_CLASS(QOpenGLTexture)class Widget : public QOpenGLWidget, protected QOpenGLFunctions
{Q_OBJECTpublic://using QOpenGLWidget::QOpenGLWidget;Widget();~Widget();QSize minimumSizeHint() const override;QSize sizeHint() const override;void rotateBy(int xAngle, int yAngle, int zAngle);void setClearColor(const QColor &color);void drawLight();signals:// void clicked();protected:void initializeGL() override;void paintGL() override;void resizeGL(int width, int height) override;void mousePressEvent(QMouseEvent *event) override;void mouseMoveEvent(QMouseEvent *event) override;void mouseReleaseEvent(QMouseEvent *event) override;private:Ui::Widget *ui;QColor clearColor = Qt::black;QPoint lastPos;int xRot = 0;int yRot = 0;int zRot = 0;QOpenGLTexture *textures[6] = {nullptr, nullptr, nullptr, nullptr, nullptr, nullptr};QOpenGLShaderProgram *program = nullptr;QOpenGLShaderProgram *lightinhProgram = nullptr;QOpenGLBuffer vbo;QVector<float> vertices;QOpenGLVertexArrayObject vao;QOpenGLVertexArrayObject vao1;QTimer* timer;float m_xRos = 0.0f;float m_yRos = 0.0f;float m_zRos = 3.0f;QVector3D   cam;int nCount=0;QVector3D cameraPos;QVector3D cameraTarget;QVector3D cameraDirection;float     m_viewAngle=0.0f;float     radius = 10.0f;float     camX= 10.0f;float     camZ= 10.0f;QVector3D _cameraPos = {0.0f, 0.0f, 3.0f};QVector3D _cameraFront = {0.0f, 0.0f, -1.0f};QVector3D _cameraUp = {0.0f, 1.0f, 0.0f};float ambientStrength = 0.0;//關照強度QMatrix4x4 projection;QOpenGLTexture *texture;QOpenGLBuffer indexBuf;
};#endif // WIDGET_H

運行下結果如下：

我們可以看到物體并全黑，還是可以看到物體的輪廓，為什么變黑呢？變黑的原因：1.無光源2無

?法線。

二 漫反射

環境光照本身不能提供最有趣的結果，但是漫反射光照就能開始對物體產生顯著的視覺影響了。漫反射光照使物體上與光線方向越接近的片段能從光源處獲得更多的亮度。為了能夠更好的理解漫反射光照，請看下圖：

圖左上方有一個光源，它所發出的光線落在物體的一個片段上。我們需要測量這個光線是以什么角度接觸到這個片段的。如果光線垂直于物體表面，這束光對物體的影響會最大化（更亮）。為了測量光線和片段的角度，我們使用一個叫做法向量(Normal Vector)的東西，它是垂直于片段表面的一個向量（這里以黃色箭頭表示），我們在后面再講這個東西。這兩個向量之間的角度很容易就能夠通過點乘計算出來。

法向量是一個垂直于頂點表面的（單位）向量。由于頂點本身并沒有表面（它只是空間中一個獨立的點），我們利用它周圍的頂點來計算出這個頂點的表面。我們能夠使用一個小技巧，使用叉乘對立方體所有的頂點計算法向量，但是由于3D立方體不是一個復雜的形狀，所以我們可以簡單地把法線數據手工添加到頂點數據中。更新后的頂點數據數組可以在這里找到。試著去想象一下，這些法向量真的是垂直于立方體各個平面的表面的（一個立方體由6個平面組成）。

（修改頂點著色器）

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;out vec3 Normal;
out vec3 FragPos;
out vec4 OutTextcord;void main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);FragPos = vec3(model*vec4(aPos,1.0));Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;}

修改片段著色器

#version 330 coreout vec4 FragColor;in vec3 Normal;
in vec3 FragPos;
in vec4 OutTextcord;uniform vec3 viewPos;
uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 objectColor;
uniform sampler2D texture;void main()
{float ambientStrength = 0.1;vec3 ambient = ambientStrength * lightColor;// diffusevec3 norm = normalize(Normal);vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);vec3 diffuse = diff * lightColor;// specularfloat specularStrength = 0.5;vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor;vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * objectColor;FragColor = vec4(result, 1.0);}

#include "testshadewidget.h"
#define EYE_CENTER  QVector3D(0.0, 0.0, 3.0)testshadeWidget::testshadeWidget():QOpenGLWidget(),m_xRos(0),m_yRos(0),m_zRos(0),lightPos(1.0, 1.0, 0.0),m_verticalAngle(45)
{cam = QVector3D(m_xRos, m_yRos, m_zRos);cameraPos = QVector3D(0, 0, 3);timer = new QTimer;timer->setInterval(100);connect(timer,&QTimer::timeout,this,[=]{qDebug()<<"timeout";//       m_xRos+=30;//       m_yRos+=30;//rotateBy(2 * 16, +2 * 16, -1 * 16);/*if(nDerection==0) //RIGHT{m_xRos  +=  0.05f;m_yRos  =  0;m_zRos  =  0;if(m_xRos>=1.0f){m_xRos = 0.0f;timer->stop();}}else if(nDerection==1)//LEFT{m_xRos  -=  0.05f;m_yRos  =  0;m_zRos  =  0;if(m_xRos<=-1.0f){m_xRos = 0.0f;timer->stop();}}else if(nDerection==2)//DOWN{m_xRos  =  0;m_yRos  -=  0.05f;m_zRos  =  0;if(m_yRos<=-1.0f){m_yRos = 0.0f;timer->stop();}}else if(nDerection==3)//UP{m_xRos  =  0;m_yRos  +=  0.05f;m_zRos  =  0;if(m_yRos>=1.0f){m_yRos = 0.0f;timer->stop();}}update();// offsetBy(10 * 16, +10 * 16, -1 * 16);*/rotateBy(10 * 16, +10 * 16, -1 * 16);});timer->start();
}testshadeWidget::~testshadeWidget()
{}void testshadeWidget::initializeGL()
{float vertices22[] = {   // ---- 頂點 ----           - 法向量 -0.5f, -0.5f, -0.5f,        0.0f, 0.0f, -1.0f,-0.5f, -0.5f, -0.5f,        0.0f, 0.0f, -1.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,         0.0f, 0.0f, -1.0f,0.5f, 0.5f, -0.5f,          0.0f, 0.0f, -1.0f,//1 正面  -z垂直0.5f, 0.5f, -0.5f,          0.0f, 1.0f, 0.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,         0.0f, 1.0f, 0.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,          0.0f, 1.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,           0.0f, 1.0f, 0.0f,//2上面  垂直0.5f, -0.5f, 0.5f,          1.0f, 0.0f, 0.0f,0.5f, -0.5f, -0.5f,         1.0f, 0.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, -0.5f,          1.0f, 0.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,           1.0f, 0.0f, 0.0f,//3右邊 x-0.5f, -0.5f, -0.5f,        -1.0f, 0.0f, 0.0f,-0.5f, -0.5f, 0.5f,        -1.0f, 0.0f, 0.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,         -1.0f, 0.0f, 0.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,         -1.0f, 0.0f, 0.0f,//4 左邊 -x0.5f, -0.5f, 0.5f,         0.0f, 0.0f, 1.0f,-0.5f, -0.5f, 0.5f,       0.0f, 0.0f, 1.0f,-0.5f, -0.5f, -0.5f,      0.0f, 0.0f, 1.0f,0.5f, -0.5f, -0.5f,       0.0f, 0.0f, 1.0f,//5 后面  z-0.5f, -0.5f, 0.5f,         0.0f, -1.0f, 0.0f,0.5f, -0.5f, 0.5f,         0.0f, -1.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,          0.0f, -1.0f, 0.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,          0.0f, -1.0f, 0.0f,//6下面-y};float vertices11[] = {// ---- 頂點 ----        - 法向量 -// ---- 頂點 ----        - 法向量 -                                  - 紋理 -0.5f, -0.5f, -0.5f,        0.0f, 0.0f, -1.0f,                      1.0f,0.0f,-0.5f, -0.5f, -0.5f,        0.0f, 0.0f, -1.0f,                      0.0f,0.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,         0.0f, 0.0f, -1.0f,                      1.0f,0.0f,0.5f, 0.5f, -0.5f,          0.0f, 0.0f, -1.0f,                      1.0f,1.0f,       //1 正面  -z垂直0.5f, 0.5f, -0.5f,          0.0f, 1.0f, 0.0f,                       1.0f,0.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,         0.0f, 1.0f, 0.0f,                       0.0f,0.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,          0.0f, 1.0f, 0.0f,                       1.0f,0.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,           0.0f, 1.0f, 0.0f,                       1.0f,1.0f,       //2上面  垂直0.5f, -0.5f, 0.5f,          1.0f, 0.0f, 0.0f,                      1.0f,0.0f,0.5f, -0.5f, -0.5f,         1.0f, 0.0f, 0.0f,                      0.0f,0.0f,0.5f, 0.5f, -0.5f,          1.0f, 0.0f, 0.0f,                      1.0f,0.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,           1.0f, 0.0f, 0.0f,                      1.0f,1.0f,                 //3右邊 x-0.5f, -0.5f, -0.5f,        -1.0f, 0.0f, 0.0f,                    1.0f,0.0f,-0.5f, -0.5f, 0.5f,        -1.0f, 0.0f, 0.0f,                    0.0f,0.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,         -1.0f, 0.0f, 0.0f,                    1.0f,0.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,         -1.0f, 0.0f, 0.0f,                    1.0f,1.0f,        //4 左邊 -x0.5f, -0.5f, 0.5f,         0.0f, 0.0f, 1.0f,                    1.0f,0.0f,-0.5f, -0.5f, 0.5f,       0.0f, 0.0f, 1.0f,                    0.0f,0.0f,-0.5f, -0.5f, -0.5f,      0.0f, 0.0f, 1.0f,                    1.0f,0.0f,0.5f, -0.5f, -0.5f,       0.0f, 0.0f, 1.0f,                    1.0f,1.0f,   //5 后面  z-0.5f, -0.5f, 0.5f,         0.0f, -1.0f, 0.0f,                  1.0f,0.0f,0.5f, -0.5f, 0.5f,         0.0f, -1.0f, 0.0f,                  0.0f,0.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,          0.0f, -1.0f, 0.0f,                  1.0f,0.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,          0.0f, -1.0f, 0.0f,                  1.0f,1.0f,      //6下面-y};vertices = {// ---- 位置----   - 紋理坐標 -      ---- 顏色 ----0.5f, -0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,   1.0f, 1.0f,-0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,   0.0f, 1.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,  0.0f, 0.0f, 0.0f,   0.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, -0.5f,   1.0f, 0.0f, 1.0f,   1.0f, 0.0f,//10.5f, 0.5f, -0.5f,   1.0f, 1.0f, 1.0f,   1.0f, 1.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f, 0.0f,   0.0f, 1.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,   0.0f, 0.0f, 0.0f,   0.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,    1.0f, 0.0f, 1.0f,   1.0f, 0.0f,//20.5f, -0.5f, 0.5f,  1.0f, 1.0f, 1.0f,    1.0f, 1.0f,0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,    0.0f, 1.0f,0.5f, 0.5f, -0.5f,  0.0f, 0.0f, 0.0f,    0.0f, 0.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,   1.0f, 0.0f, 1.0f,    1.0f, 0.0f,//3-0.5f, -0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,   1.0f, 1.0f,-0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,   0.0f, 1.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,  0.0f, 0.0f, 0.0f,   0.0f, 0.0f,-0.5f, 0.5f, -0.5f,  1.0f, 0.0f, 1.0f,   1.0f, 0.0f,//40.5f, -0.5f, 0.5f,    1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,-0.5f, -0.5f, 0.5f,  0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,-0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f,0.5f, -0.5f, -0.5f,  1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f,//5-0.5f, -0.5f, 0.5f,    1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f,0.5f, -0.5f, 0.5f,    0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,0.5f, 0.5f, 0.5f,     0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f,-0.5f, 0.5f, 0.5f,     1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f,//6};//綁定OpenGL函數指針？類似GLAD庫的作用？initializeOpenGLFunctions();//開啟深度測試glEnable(GL_DEPTH_TEST);lightprogram = new QOpenGLShaderProgram;lightprogram->addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Vertex, ":/base_lighting.vs");lightprogram->addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Fragment,":/base_lighting.fs");lightprogram->link();lightprogram->bind();//激活Program對象program = new QOpenGLShaderProgram;
//    program->addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Vertex, ":/shader.vs");
//    program->addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Fragment,":/shader.fs");program->addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Vertex, ":/Diffuse.vs");program->addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Fragment,":/Diffuse.fs");program->link();program->bind();//激活Program對象unsigned int indices[] = {0, 1, 3, // first triangle1, 2, 3  // second triangle};vbo.create();vbo.bind();              //綁定到當前的OpenGL上下文,vbo.setUsagePattern(QOpenGLBuffer::StaticDraw);vbo.allocate(vertices22, sizeof(vertices22));//vbo.allocate(vertices.constData(), vertices.count() * sizeof(GLfloat));vao.create();vao.bind();//    _ebo = new QOpenGLBuffer(QOpenGLBuffer::IndexBuffer);
//    _ebo->create();
//    if(!_ebo->bind()){
//        qDebug() << "ebo綁定失敗！";
//    }
//    _ebo->allocate(indices, sizeof(indices));for (int j = 0; j < 6; ++j){textures[j] = new QOpenGLTexture(QImage(QString(":/cube%1.png").arg(j+1)).mirrored());textures[j]->setMinMagFilters(QOpenGLTexture::LinearMipMapLinear,QOpenGLTexture::Linear);textures[j]->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionS, QOpenGLTexture::ClampToEdge);textures[j]->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionT, QOpenGLTexture::ClampToEdge);}program->setAttributeBuffer(0, GL_FLOAT, 0,                  3, 6 * sizeof(float));   //設置aPos頂點屬性program->setAttributeBuffer(1, GL_FLOAT, 3 * sizeof(float),  3, 6 * sizeof(float));   //設置aColor頂點顏色// program->setAttributeBuffer(2, GL_FLOAT, 6 * sizeof(float),  2, 8 * sizeof(float));   //設置aColor頂點顏色program->enableAttributeArray(0); //使能aPos頂點屬性program->enableAttributeArray(1); //使能aColor頂點顏色// program->enableAttributeArray(2); //使能aColor頂點顏色//program->setUniformValue("texture", 0);lightVao.create();lightVao.bind();lightprogram->setAttributeBuffer(0, GL_FLOAT, 0, 3, 6 * sizeof(float));lightprogram->enableAttributeArray(0);   // 使能 location = 0的頂點屬性aPos
}
void testshadeWidget::rotateBy(int xAngle, int yAngle, int zAngle)
{xRot += xAngle;yRot += yAngle;zRot += zAngle;update();//timer->stop();
}void testshadeWidget::offsetBy(int xPos, int yPos, int zPos)
{m_xRos += xPos;m_yRos += yPos;m_zRos += zPos;update();
}void testshadeWidget::mouseMoveEvent(QMouseEvent *event)
{
//    if(event->x() == m_cursorPos.x() && m_cursorPos.y() == event->y())
//        return;//    QPoint MovePos = QCursor::pos();
//    QPoint currentPos = mapFromGlobal(MovePos);
//    int xoffset = 0;
//    int yoffset = 0;
//    xoffset  =  currentPos.x() - m_cursorPos.x();
//    yoffset  =  currentPos.y() - m_cursorPos.y();//    qDebug()<<"1111111111"<<m_xRos;
//    if(xoffset>0 )
//    {
//       m_xRos += 0.1;
//       m_yRos = 0;
//       if(m_xRos>=1.0f)
//       {
//           m_xRos = 0.0f;
//           m_yRos = 0.0f;
//       }
//    }
//    else if(xoffset<0 )
//    {
//       m_xRos -= 0.1;
//       m_yRos = 0;
//       if(m_xRos<=-1.0f)
//       {
//           m_xRos = 0.0f;
//           m_yRos = 0.0f;
//       }
//    }
//    else if(yoffset>0)
//    {
//       m_xRos = 0;
//       m_yRos -= 0.1;
//       if(m_yRos<=-1.0f)
//       {
//           m_xRos = 0.0f;
//           m_yRos = 0.0f;
//       }
//    }
//    else if(yoffset<0)
//    {
//       m_xRos = 0;
//       m_yRos += 0.1;
//       if(m_yRos>=1.0f)
//       {
//           m_xRos = 0.0f;
//           m_yRos = 0.0f;
//       }
//    }
//    update();
//    m_cursorPos = currentPos;//timer->start();//m_yRos += yPos;//update();//m_yRos += yoffset;//qDebug()<<"mouseMoveEvent"<<xoffset<<yoffset<<m_xRos<<m_yRos<<xPos<<yPos;//qDebug()<<"m_cursorPos"<<(m_xRos==1.0);//m_cursorPos = QPoint(event->x(),event->y());}void testshadeWidget::mouseReleaseEvent(QMouseEvent *event)
{if(event->x() == m_cursorPos.x() && m_cursorPos.y() == event->y())return;QPoint MovePos = QCursor::pos();QPoint currentPos = mapFromGlobal(MovePos);int xoffset = 0;int yoffset = 0;xoffset  =  currentPos.x() - m_cursorPos.x();yoffset  =  currentPos.y() - m_cursorPos.y();if( xoffset>0  && (yoffset>=-15 && yoffset<=15)){nDerection = 0;}else if(xoffset<0 && (yoffset>=-15 && yoffset<=15)){nDerection = 1;}else if(yoffset>0 && (xoffset>=-15 && xoffset<=15))//down{nDerection = 2;}else if(yoffset<0 && (xoffset>=-15 && xoffset<=15))//up{nDerection = 3;}qDebug()<<"1111111111"<<m_xRos<<nDerection<<xoffset<<yoffset;timer->start();
}void testshadeWidget::mousePressEvent(QMouseEvent *event)
{if(event->button() == Qt::LeftButton){m_cursorGlobalPos = QCursor::pos();m_cursorPos = mapFromGlobal(m_cursorGlobalPos);}
}void testshadeWidget::paintGL()
{glClearColor(0.1f, 0.1f, 0.1f, 1.0f);  //設置清屏顏色glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
//    //開啟深度測試//glEnable(GL_DEPTH_TEST);
//    //開啟遮擋剔除// glEnable(GL_CULL_FACE);QMatrix4x4 m;m.translate(m_xRos, m_yRos, m_zRos);m.rotate(xRot / 16.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f);m.rotate(yRot / 16.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f);m.rotate(zRot / 16.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);m.scale(0.5);program->bind();QMatrix4x4 view;view.lookAt(QVector3D(0,0,3), QVector3D(0,0,3)+QVector3D(0,0,-1), QVector3D(0,1,0));QMatrix4x4 projection;projection.perspective(45.0f,float(this->width())/float(this->height()),0.1f,100.0f);program->setUniformValue("model", m);program->setUniformValue("view", view);program->setUniformValue("projection", projection);program->setUniformValue("objectColor", QVector3D(1.0f, 0.5f, 0.3f));//物體顏色program->setUniformValue("lightColor", QVector3D( 1.0f, 1.0f, 1.0f));program->setUniformValue("lightPos", QVector3D(1.2f, 1.0f, 2.0f));//光位置for(int i=0;i<6;i++){glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, i*4, 4);}vao.bind(); lightprogram->bind();QMatrix4x4 model;model.translate(0.5f, 0.5f, 0.5f);model.scale(0.2);lightprogram->setUniformValue("view", view);lightprogram->setUniformValue("model", model);lightprogram->setUniformValue("projection", projection);lightVao.bind();//glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);for(int i=0;i<6;i++){glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, i*4, 4);}}void testshadeWidget::resizeGL(int width, int height)
{
//    QMatrix4x4 projection;
//    projection.perspective(m_verticalAngle, width/height, 0.01, 100);
//    // m_verticalAngle: 設置垂直角度(值越大,那么物體越小)
//    // width()/height(): 設置寬高比
//    // 0.1 100: 設置近遠平面距離
//    glUseProgram(program->programId());
//    program->setUniformValue("projection", projection);this->glViewport(0,0,width,height);                //定義視口區域this->update();
}

#ifndef TESTSHADEWIDGET_H
#define TESTSHADEWIDGET_H#include <QWidget>
#include <QOpenGLWidget>
#include <QOpenGLExtraFunctions>
#include <QOpenGLBuffer>
#include <QOpenGLShaderProgram>
#include <QOpenGLVertexArrayObject>
#include <QTimer>
#include <QOpenGLTexture>
#include <QOpenGLWidget>
#include <QOpenGLFunctions>
#include <QOpenGLBuffer>
#include <QOpenGLVertexArrayObject>
#include <QTimer>
#include <QMouseEvent>QT_FORWARD_DECLARE_CLASS(QOpenGLShaderProgram);
QT_FORWARD_DECLARE_CLASS(QOpenGLTexture)
class testshadeWidget : public QOpenGLWidget, protected QOpenGLFunctions
{
public:testshadeWidget();~testshadeWidget();
protected:void initializeGL() override;void paintGL() override;void resizeGL(int width, int height) override;void rotateBy(int xAngle, int yAngle, int zAngle);void mouseMoveEvent(QMouseEvent *event) override;void mouseReleaseEvent(QMouseEvent *event) override;void mousePressEvent(QMouseEvent *event) override;void offsetBy(int xPos, int yPos, int zPos);
private:QOpenGLTexture *textures[6] = {nullptr, nullptr, nullptr, nullptr, nullptr, nullptr};QOpenGLShaderProgram *program = nullptr;QOpenGLBuffer vbo;QVector<float> vertices;QOpenGLVertexArrayObject vao;QTimer* timer;float m_xRos = 0.0f;float m_yRos = 0.0f;float m_zRos = 0.0f;QVector3D cameraPos;QVector3D cameraTarget;QVector3D cameraDirection;QOpenGLTexture *texture;QMatrix4x4 projection;QVector3D   cam;int xRot = 0;int yRot = 0;int zRot = 0;QPoint m_cursorPos;QPoint m_cursorGlobalPos;int nDerection=0;QVector3D lightPos;float m_verticalAngle;      // 視角縮放QOpenGLShaderProgram *lightprogram = nullptr;QOpenGLVertexArrayObject lightVao;QOpenGLBuffer *_ebo;};#endif // TESTSHADEWIDGET_H

我們運行下

這里是不是有陰影和光照了。

我們來解釋下方向量的定義。

我們看下正面這個面，垂直于這個面的是不是Z軸，那就是z軸是1，其他是0，在看垂直于這個面的是不是Z軸反方向，所以是-1，所以法向量是0,0,-1。

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