4.qml 3D-Light、DirectionalLight、PointLight、SpotLight、AxisHelper类深入学习

今天我们学习灯光类

首先来学习Light类，它是所有灯光的虚基类，该类是无法创建的，主要是为子类提供很多公共属性。

常用属性如下所示：

ambientColor : color，该属性定义在被该光照亮之前应用于材质的环境颜色。默认值为黑色 rgb(0,0,0)。
bakeMode : enumeration, 该属性控制灯光在烘焙光照中是否处于活动状态，例如在生成光照贴图时,取值如下所示:
- Light.BakeModeDisabled 默认值,该灯不用于烘焙照明
- Light.BakeModeIndirect 间接照明烘焙。直接照明（漫反射、镜面反射、实时阴影贴图）通常在运行时计算。在运行时，当不处于烘焙模式时，渲染器将尝试对光照贴图进行采样以获取间接光照数据，并将其与实时计算的结果相结合。
- Light.BakeModeAll 直接照明烘焙,（漫射、阴影）和间接照明均针对此光线进行烘焙, 从 Qt 6.4 开始，不支持镜面反射照明，因此此类灯光不会有镜面反射，也不会生成实时阴影贴图，但它始终会产生烘焙阴影。在运行时，当不处于烘焙模式时，渲染器将尝试对光照贴图进行采样，以代替漫反射光照和阴影贴图的标准实时计算。
brightness : real, 灯光亮度,默认为1.0
castsShadow : bool, 投射阴影开关。默认值为false,如果bakeMode设置为Light.BakeModeAll，该属性没有任何作用。直接照明烘焙会始终有阴影
color : color,此属性用于此灯光照明模型的颜色。默认值为白色，rgb(255, 255, 255)。
scope : Node,作用域属性,该属性用于选择场景中的节点。只有该节点及其子节点才会受到此光的影响。默认情况下该值为 null，表示未选择范围。
需要注意的是,使用scope后,那么castsShadow属性将会不起作用,如果必须要阴影,可以将bakeMode设置为Light.BakeModeAll
shadowBias : real,阴影偏移, 当对象在自身上投射阴影时，此属性用于调整阴影效果。取值范围为[-1.0,1.0]。一般来说，[-0.1,0.1]内的值就足够了。默认值为 0。
shadowFactor : real, 阴影系数, 取值范围为[0,100]，其中0表示没有阴影，100表示光线完全阴影。默认值为5。
shadowFilter : real,此属性设置阴影的模糊程度。默认值为5,为0表示不模糊
shadowMapFar : real, 该属性确定阴影映射的最大距离。较小的值可以提高地图的精度和效果。缺省值为5000。
shadowMapQuality : enumeration,该属性设置为阴影渲染创建的阴影映射的质量。低质量使用较少的资源，但产生较低质量的阴影，而高质量使用更多的资源，但产生更好质量的阴影。默认值Light.ShadowMapQualityLow。

1.DirectionalLight平行光

平行光可以理解为遥远的太阳,发出的光线都是平行的,并且被方向光照射的整个区域收到的光照强度都一样。

方向光发出的所有光线都是平行的，可以认为是距离很远的光源，例如遥远的太阳光就是方向光，方向光不像聚焦光那样距离目标越远越暗淡，被方向光照射的整个区域收到的光照强度都一样。

光的默认方向是从Z正方向照射到XY平面。

示例代码如下所示：

import QtQuick
import QtQuick.Window
import QtQuick3D
import QtQuick3D.Helpers
Window {
    width: 640
    height: 480
    visible: true 

    View3D {
        anchors.fill: parent
        environment: SceneEnvironment {
            clearColor: "#333"
            backgroundMode: SceneEnvironment.Color
            antialiasingMode: SceneEnvironment.MSAA
            antialiasingQuality: SceneEnvironment.High
        } 

        camera: camera
        PerspectiveCamera {
            id: camera
            position: Qt.vector3d(0, -500, 500)
            eulerRotation.x: 45
        }

        WasdController {
            id: wasd_control
            controlledObject: camera

         }


        DirectionalLight {
             eulerRotation: Qt.vector3d(0, 0, 0)
             castsShadow: true
             brightness: 3
             shadowFactor: 5
             shadowMapQuality : Light.ShadowMapQualityHigh
        }


        Model {
            source: "#Sphere"
            z: 200
            materials: DefaultMaterial {
                diffuseColor: Qt.rgba(0.6, 0.5, 0.2, 1.0)
            }
        }


        Model {
            source: "#Rectangle"

            scale: Qt.vector3d(10, 10, 1)
            materials: DefaultMaterial {
                diffuseColor: Qt.rgba(0.7, 0.2, 0.2, 1.0)
            }
        }
    }
}

效果如下所示：

PS： WasdController类是用来wasd按键控制辅助类，Model类是模型类,后面会学习,这里用的是一个自带的球体模型

如上图可以看到光照是从球体上方照射而下的。刚好从Z正方向照射到XY平面。

如果我们对xyz分布有时候分不清的话，可以使用AxisHelper网格类.

AxisHelper网格类

AxisHelper类是一个网格助手类，需要import QtQuick3D.Helpers,它用来区分3D中xyz方向, 默认X 轴为红色，Y 轴为绿色，Z 轴为蓝色。

我们在上个示例代码中添加AxisHelper：

运行后效果如下所示：

可以看到很奇怪，默认XZ平面为网络格，也就是底面的意思。3DMax导入的模型一般都是xz为底面,y为高度，所以我们导入模型的时候，一般通常它是以XZ为水平面。

如下图所示，通常只有y或者z为高度，很显然AxisHelper类默认是z-up类型：

如果我们要设置AxisHelper类为y-up,改为如下所示：

AxisHelper {

    enableXYGrid: true

    enableXZGrid : false

}

效果如下所示：

PointLight点光源

和现实中的灯泡类似,，从光的中心向各个方向发射强度相同的光。所以我们移动一个点光源将改变光源发出的位置。如下图所示:

它的光照亮度是通过constantFade、linearFade和SquadicFace属性的值向黑暗方向下降，其中灯光计算为constantFade+distance *（linearFade*0.01）+distance ^2 *（SquadicFade*0.0001）

其中distance 就是每个被照射的位置的距离。

提供的属性介绍如下所示：

constantFade：光衰减项的常数因素。默认值是1.0,(值越大,灯光越暗,与距离无关)
linearFade: 这个属性增加了灯光效果与光线的距离成比例地变暗的速度。默认值是0.0，这意味着光线没有线性渐变,值越大时,距离越远越暗, 在计算光衰减之前，这里使用的值要乘以0.01。
quadraticFade: 这个特性增加了照明效果使光线变暗的比率，与平方反比定律成比例。默认值是1.0，值越大时,距离越远成平方比例变暗,，即当与物体的距离增加一倍时，光强度减少到1/4。在计算光衰减之前，这里使用的值乘以0.0001

SpotLight聚光灯

和现实中手电筒类似，聚光灯的行为类似于PointLight, 但是只会向一个方向发射光, 照亮空间内的一个锥形区域,如下图：

提供的光衰减公式：constantFade + distance * (linearFade * 0.01) + distance * (quadraticFade* 0.0001)^2

PS：该公式计算出来的值越大，则表示光线强度越暗，

提供的属性如下所示：

coneAngle : real，此属性定义边缘衰减截止角度，超过该角度后光线就会被截止掉。以 0 到 180 之间的度数定义。默认值为 40。
constantFade : real，该特性是光衰减项的常数因子。默认值为 1.0,值越大越暗(设置可见光的整体暗度)
innerConeAngle : real，内部的边缘衰减截止角度，默认值为30,超过该角度后就会出现光线衰减，如果值大于等于coneAngle后,那么内部边缘则没有光线衰减
linearFade : real，线性渐变比例,默认值为0,则表示照亮后的位置没有线性渐变，值越大渐变效果越暗
quadraticFade : real，二次方线性渐变比例,默认值为 1.0,当物体距离加倍后,光强度将会降至1/4,值越大渐变效果越暗

SpotLight使用示例

接下来我们便来写一个示例，来看看属性作用,效果图如下所示：

coneAngle 和innerConeAngle 区别

如下图所示,coneAngle 为50.668, innerConeAngle 为64时，由于innerConeAngle >=coneAngle ，所以内部边缘则没有渐变阴影

当我们设置innerConeAngle 为20度左右时，如下图所示,可以看到超过20度的范围有了光线衰减:

完整代码如下所示：

import QtQuick
import QtQuick.Window
import QtQuick3D
import QtQuick3D.Helpers
import QtQuick.Controls
Window {
    width: 640
    height: 480
    visible: true

    Column {
        z: 2
           Row {
                Slider {
                    id: slider1
                    from: 0
                    to: 180
                    value: 40
                    focusPolicy: Qt.NoFocus
                    width: 400
                }
                Text {
                    anchors.verticalCenter: slider1.verticalCenter
                    text: "coneAngle:" + slider1.value.toFixed(3)
                    color: "#F00"
                }
           }
           Row {
               Slider {
                   id: slider2
                   from: 0
                   to: 2
                   value: 1
                   focusPolicy: Qt.NoFocus
                    width: 400
               }
               Text {
                   anchors.verticalCenter: slider2.verticalCenter
                   text: "constantFade :" + slider2.value.toFixed(3)
                   color: "#F00"
               }
           }
           Row {
               Slider {
                   id: slider3
                   from: 0
                   to: 180
                   value: 30
                   focusPolicy: Qt.NoFocus
               }
               Text {
                   anchors.verticalCenter: slider3.verticalCenter
                   text: "innerConeAngle :" + slider3.value.toFixed(3)
                   color: "#F00"
               }
           }

           Row {
               Slider {
                   id: slider4
                   from: 0
                   to: 10.0
                   value: 0
                   focusPolicy: Qt.NoFocus
               }
               Text {
                   anchors.verticalCenter: slider4.verticalCenter
                   text: "linearFade :" + slider4.value.toFixed(3)
                   color: "#F00"
               }
           }
           Row {
               Slider {
                   id: slider5
                   from: 0
                   to: 100
                   value: 1
                   focusPolicy: Qt.NoFocus
               }
               Text {
                   anchors.verticalCenter: slider5.verticalCenter
                   text: "quadraticFade :" + slider5.value.toFixed(3)
                   color: "#F00"
               }
           }
    }


    View3D {
        anchors.fill: parent
        environment: SceneEnvironment {
            clearColor: "#333"
            backgroundMode: SceneEnvironment.Color
            antialiasingMode: SceneEnvironment.MSAA
            antialiasingQuality: SceneEnvironment.High
        }

        AxisHelper {
           enableXYGrid: true
           enableXZGrid : false
        }

        camera: camera
        PerspectiveCamera {
            id: camera
            position: Qt.vector3d(0, -300, 300)
            eulerRotation.x: 45
        }

        WasdController {
            id: wasd_control
            controlledObject: camera

         }


        SpotLight {
            z: 300
            brightness: 10
            castsShadow: true
            shadowFactor: 50
            shadowMapQuality : Light.ShadowMapQualityHigh
            bakeMode: Light.BakeModeIndirect

            coneAngle: slider1.value
            constantFade: slider2.value
            innerConeAngle: slider3.value
            linearFade: slider4.value
            quadraticFade: slider5.value

        }


        Model {
            source: "#Sphere"
            z: 100
            materials: DefaultMaterial {
                diffuseColor: Qt.rgba(0.6, 0.5, 0.2, 1.0)
            }
        }


        Model {
            source: "#Rectangle"

            scale: Qt.vector3d(10, 10, 1)
            materials: DefaultMaterial {
                diffuseColor: Qt.rgba(0.7, 0.2, 0.2, 1.0)
            }
        }
    }
}

未完待续，下章学习Model类