关于OpenGL光照的问题

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正如前面所讲的，最终的光照效果是光线与表面共同作用的结果。

在

在场景中，

不同的物理表面对光线有不同的反射特性，那些通常看起来很光泽的表面能够将入射光很好地向某一特定方向反射，而另外一些则将入射光均衡地散射向各个方向。大部分表面的特性是介于这两者之间的。当然有些表面也会自己发光，比如汽车前灯。

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与光照有关的调用写在函数

场景中物体的材质特性决定了光线是如何被反射的从而表现出它是用什么材料做的。因为入射光线与物体材质表面的作用相当复杂，所以通过设置物体的材质特性而使它“看起来象那么会事”就是一件很技术的活了。你需要制定一种材质的环境光反射色、漫射光反射色、镜面光反射色(这里说XX反射色的意思是指对某种光的某个颜色分量的反射能力)以及它的光泽度。在这个例子中，只有最后两个特性－－镜面光反射颜色和光泽度被明确地指定(通过使用glMaterialfv()函数)。在“定义材质特性”一节中会描述所有的材质特性参数并给出例子。重点注意：

在写你自己的光照程序时，记住可以修改一些参数值，而另一些参数使用其缺省值。当然，不要忘记使你定义的光源生效(enable之)，同时允许光照计算。最后，记住你可以使用显示列表以提高在改变光源位置时的计算效率(参阅“显示列表设计”一节)。

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光源有如下属性：颜色、位置和方向。下面将讨论如何控制这些属性一达到期望的效果。我们用来设置光源的所有属性的函数是

light是光源的标识，例如：GL_LIGHT0,GL_LIGHT1...GL_LIGHT7。一般地，GL_LIGHTi代表第i号光源。pname代表需设置的属性，其枚举值和对应的属性意义见表6-1。

表6-1

(本表系从

表6-1中相对GL_DIFFUSE和GL_SPECULAR的缺省值只对GL_LIGHT0有效，对于其它的光源，它们的缺省值都是 (0.0, 0.0, 0.0, 1.0)。

下面是使用glLight*()的一个例子：

GLfloat light_ambient[] = { 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 };

GLfloat light_diffuse[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat light_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, light_ambient);

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, light_diffuse);

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, light_specular);

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);

数组被用来给参数赋值，通过反复调用glLightfv()给不同的参数赋值。在这个例子里，前三条语句是多余的，因为它们设置的分别是那三个参数的缺省值。

记住要用glEnable打开每个光源。要了解更多的相关操作，请参阅“使光源生效”一节。

在下面的部分中将解释glLight*()的所有参数和它们可能的取值。这些参数和定义全局光照模型以及物体材质特性的参数息息相关。请参阅“选择光照模型”和“定义材质特性”以获取更多的知识。在“光照的数学”中，将从数学的角度解释这些参数是如何相互作用的。

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OpenGL

GL_AMBIENT

GLfloat light_ambient[] = { 0.0, 0.0, 1.0, 1.0};

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, light_ambient);

那么产生的结果如附录

GL_DIFFUSE

GL_SPECULAR

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光源的位置有两种。一种是离场景无限远，另一种是在附近。前者被称为方向光源，它射到物体上的光可以认为是平行的。现实生活中，太阳就是这样的光源。后者被称为位置光源，因为它的确切位置决定了它对场景的作用效果，尤其是决定了光线的投射方向。台灯就是位置光源。从附录

在例

GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 };

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);

如上所示，你给

如果

请注意，具有光滑阴影效果的多边形表面各部分的颜色是由其各顶点的颜色计算决定的。正因为如此，你需要避免在局部光源附近使用大多边形－－如果光源位置在多边形的中部，各顶点会因为距离光源太远而接收不到足够的光照，从而整个多边形看起来要比你相象的要暗。要解决这个问题，就得把大多边形分解成许多小块。

在现实世界中，光线的强度会随着传播距离的增加而减弱。方向光源是从无限远处射来的，对它谈距离衰减意义不大，所以衰减计算对方向光源是无效的。然而，对位置光源则必须考虑这个问题。

衰减因子

其中，

d

k_c

k_l

k_q

缺省情况下，

glLightf(GL_LIGHT0, GL_CONSTANT_ATTENUATION, 2.0);

glLightf(GL_LIGHT0, GL_LINEAR_ATTENUATION, 1.0);

glLightf(GL_LIGHT0, GL_QUADRATIC_ATTENUATION, 0.5);

注意，环境光、漫反射光和镜面光都会被衰减，只有出射光和全局环境光不被衰减。

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前面曾提到，你可以将一个位置光源定义成一个聚光灯，也就是说可以将光的发射形状调整为圆锥形。创建聚光灯，你需要定义需要的锥光的跨度。

图

注意光线不能超越圆锥的边界。缺省时没有聚光灯效果，因为GL_SPOT_CUTOFF参数被默认为180度，也就意味着光线是超各个方向发射的(此时圆锥的顶角为360，已经不成“锥”了)。GL_SPOT_CUTOFF一般的取值范围是[0.0, 90.0](或者就是取那个180)。下面的语句将散射角置为45度。

glLightf(GL_LIGHT0, GL_SPOT_CUTOFF, 45.0);

你还需要给出聚光灯的方向，即圆锥中轴的方向。

GLfloat spot_direction[] = { -1.0, -1.0, 0.0 };

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spot_direction);

方向是用齐次坐标表示的，缺省情况下为(0, 0, 1)，所以如果你不显式设置GL_SPOT_DIRECTION的值，聚光灯光线将射向z轴负向。同时，这个方向将被透视模型矩阵按其标准化后的值转换到视点坐标系中

除了聚光灯的散射角和方向外，你还可以控制光线在圆锥内的强度分布。有两个办法，首先，你可以先设置光线衰减因子，我们前面提到过，它将与光强相乘；你也可以设置聚光指数，即GL_SPOT_EXPONENT参数，它决定了光线的集中性，缺省值为0。光线在圆锥的中心最强，越靠边越弱，其衰减与该光线与圆锥中轴的夹角的COS值的GL_SPOT_EXPONENT参数次方成正比。因此聚光指数越大，锥光的集中性越好。请参阅“光照的数学”一节以了解光强计算的细节。

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如前所述，你可以在你的场景中至少使用

GLfloat light1_ambient[] = { 0.2, 0.2, 0.2, 1.0 };

GLfloat light1_diffuse[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat light1_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat light1_position[] = { -2.0, 2.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat spot_direction[] = { -1.0, -1.0, 0.0 };

glLightfv(GL_LIGHT1, GL_AMBIENT, light1_ambient);

glLightfv(GL_LIGHT1, GL_DIFFUSE, light1_diffuse);

glLightfv(GL_LIGHT1, GL_SPECULAR, light1_specular);

glLightfv(GL_LIGHT1, GL_POSITION, light1_position);

glLightf(GL_LIGHT1, GL_CONSTANT_ATTENUATION, 1.5);

glLightf(GL_LIGHT1, GL_LINEAR_ATTENUATION, 0.5);

glLightf(GL_LIGHT1, GL_QUADRATIC_ATTENUATION, 0.2);

glLightf(GL_LIGHT1, GL_SPOT_CUTOFF, 45.0);

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, spot_direction);

glLightf(GL_LIGHT1, GL_SPOT_EXPONENT, 2.0);

glEnable(GL_LIGHT1);

如果将这些代码加入例6-1中，那么其中的球体将被两个光源照射，一个是方向型的，另一个是位置型的。

可以尝试一下，修改例6-1，

• 将原来的白色方向光源修改为一个位置型有色光源
• 加入一个有色聚光灯。提示：可以参考上面的代码
• 感觉一下这两种改动对整体效果的影响

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OpenGL

• 固定位置光源
• 环绕固定物体运动的光源
• 和视点一起运动的光源

例6-1作为最简单的例子，演示了固定位置光源。要达到这个效果，你只需要在使用了透视或(和)模型变换后设置光源位置。下面是myinit()和myReshape()函数中的相关语句：

glMatrixMode (GL_PROJECTION);

glLoadIdentity();

if (w <= h)

glOrtho (-1.5, 1.5, -1.5*h/w, 1.5*h/w, -10.0, 10.0);

else

glOrtho (-1.5*w/h, 1.5*w/h, -1.5, 1.5, -10.0, 10.0);

glMatrixMode (GL_MODELVIEW);

glLoadIdentity();

/* later in myInit() */

GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, position);

视窗和投影矩阵被首先确定。然后，单位阵被调入作为透视模型矩阵，接下来设置光源位置。因为使用了单位阵，因此光源的初始位置(1.0, 1.0, 1.0)和它相乘并没有变化。在这之后，光源位置和透视模型矩阵都没有改变，所以光源还放在(1.0, 1.0, 1.0)的位置。

现在假设你要旋转或移动光源的位置使其相对一个静态的物体运动。一个办法是在模型变换后设置光源位置，光源位置改变的效果是通过模型变换阵的改变来实现的。你仍可以在程序开头使用上面的init()函数。然后，一般是在程序消息循环里加入你想要的模型变换(利用透视模型栈)从而确定光源的新位置。下面是一段可能的代码：

void display(GLint spin)

{

GLfloat light_position[] = { 0.0, 0.0, 1.5, 1.0 };

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

glPushMatrix();

glTranslatef(0.0, 0.0, -5.0);

glPushMatrix();

glRotated((GLdouble) spin, 1.0, 0.0, 0.0);

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);

glPopMatrix();

auxSolidTorus(0.275, 0.85);

glPopMatrix();

glFlush();

}

display()函数重画场景，重画时光源好象是绕静态圆环面转过了spin代表的角度。请注意两对glPushMatrix()和glPopMatrix()函数，它们是用来隔离透视和模型变换的，之所以要隔离是因为需要画的圆环面是不旋转的，即画它时只受到glTranslatef(0.0, 0.0, -5.0); 这条语句的影响。在本例中视点保持不变，所以当前的变换阵被压栈，然后由glTranslatef()完成透视变换(实际就是位移)，将现在的变换阵压栈，再由glRotated()完成模型变换(其实就是旋转变换)。此时设置新的光源位置，由于此位置是在旋转后的坐标系中定义的，所以变换回原坐标系中后就好象光源被旋转了一样(注：原也就是视点坐标系，与之对应的变换阵一直被压在栈里)。在光源位置定义完毕后，与透视变换对应的矩阵被弹出，此时再画圆环面，就象前面所说的那样，转换到原坐标系中，圆环面只有位置变换而无旋转变换，所以看起来就有了光源环绕圆环面旋转的效果。

为了创建和视点一起移动的光源，你需要在透视模型变换之前设置光源位置，这样，变换就会按相同的方式一起变换视点和光源。让我们在myinit()函数中，作一些小改动来达到这个效果：

GLfloat light_position[] = { 0.0, 0.0, 1.0, 1.0 }; // 这样光源好象是放在视点的位置上

glViewport(0, 0, w-1, h-1);

glMatrixMode(GL_PROJECTION);

glLoadIdentity();

gluPerspective(40.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 100.0);

glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);

然后对display()函数修改如下：

void display(GLint spin)

{

glClear(GL_COLOR_BUFFER_MASK | GL_DEPTH_BUFFER_MASK);

glPushMatrix();

glTranslatef (0.0, 0.0, -5.0);

glRotatef ((GLfloat) spin, 1.0, 0.0, 0.0);

auxSolidTorus(0.275, 0.85);

glPopMatrix();

glFlush();

}

当被照的圆环面重画时，光源和视点都被移动了spin角度。因为我们是在视点的坐标系中，所以看到的效果是一个旋转的圆环面被固定的视点的光源照射的效果。

可以尝试一下，修改下面的例子6-1：

• 让光源只是相对物体移动而不是环绕其转动。提示：在display()中用glTranslated()代替glRotated()，同时找一个合适的参数代替spin
• 改变光源衰减模式，使光源远离物体时物体上的光照会减弱。提示：加入glLight*()设置相应参数

例6-1: 通过模型变换移动光源: movelight.c

#include <GL/gl.h>

#include <GL/glu.h>

#include "aux.h"

static int spin = 0;

void movelight (AUX_EVENTREC *event)

{

spin = (spin + 30) % 360;

}

void myinit (void)

{

glEnable(GL_LIGHTING);

glEnable(GL_LIGHT0);

glDepthFunc(GL_LEQUAL);

glEnable(GL_DEPTH_TEST);

}

void display(void)

{

GLfloat position[] = { 0.0, 0.0, 1.5, 1.0 };

glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

glPushMatrix ();

glTranslatef (0.0, 0.0, -5.0);

glPushMatrix ();

glRotated ((GLdouble) spin, 1.0, 0.0, 0.0);

glRotated (0.0, 1.0, 0.0, 0.0);

glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION, position);

glTranslated (0.0, 0.0, 1.5);

glDisable (GL_LIGHTING);

glColor3f (0.0, 1.0, 1.0);

auxWireCube (0.1);

glEnable (GL_LIGHTING);

glPopMatrix ();

auxSolidTorus (0.275, 0.85);

glPopMatrix ();

glFlush ();

}

void myReshape(GLsizei w, GLsizei h)

{

glViewport(0, 0, w, h);

glMatrixMode(GL_PROJECTION);

glLoadIdentity();

gluPerspective(40.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 20.0);

glMatrixMode(GL_MODELVIEW);

}

int main(int argc, char** argv)

{

auxInitDisplayMode (AUX_SINGLE | AUX_RGBA | AUX_DEPTH);

auxInitPosition (0, 0, 500, 500);

auxInitWindow (argv[0]);

myinit();

auxMouseFunc (AUX_LEFTBUTTON, AUX_MOUSEDOWN, movelight);

auxReshapeFunc (myReshape);

auxMainLoop(display);

}

§

OpenGL

• 全局环境光强度
• 视点位置在场景内还是可以被认为是无限远处
• 对物体表面的正反面光照计算是否不同

本节介绍如何设置光源，同时介绍如何起用之－－即如何告诉OpenGL你需要对相应光照进行计算。

§

如前所述，每个光源都对场景的环境光有贡献。同时，还有一种环境光不是由光源提供的，这就是全局环境光。 设置全局环境光的RGBA强度，需要按下面的方式使用GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT参数：

GLfloat lmodel_ambient[] = { 0.2, 0.2, 0.2, 1.0 };

glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, lmodel_ambient);

本例中lmodel_ambient的参数值都是GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT的缺省值。因为这些数值会产生少量的环境光，所以即使不定义其它光源你仍可以看到场景中的物体。附录J中图J-18演示了设置不同强度全局环境光的效果。

§

视点位置影响到由于镜面反射导致的高光点计算。更具体地讲，高光点的强度由三个因素决定：被照顶点的法向量、从光源到顶点的光线方向、视点和顶点的连线方向。有一点要明白，使用各种光照命令后，实际上移动的并不是视点，你所做的是改变了投影方式，使视点看起来被移动了

对于无穷远视点来说，它和某顶点的连线方向是个常数。局部视点的效果更趋于真实，但由于它要对每个顶点的方向分别计算，就大大增加了程序的负担。缺省状态下，视点都是在无穷远处的。下面的语句可以把它改成局部的：

glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, GL_TRUE);

这条语句把视点放在视点坐标系的

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光照计算是对所有多边形表面进行的，不管是正面还是反面。由于通常设置的都是正面的光照性质，背面的光照效果往往都是不正确的。在例

glLightModeli(LIGHT_MODEL_TWO_SIDE, GL_TRUE);

OpenGL

关闭双侧光照，只需把前面语句中的

§

在

glEnable(GL_LIGHTING);

取消光照的命令为

当你设置了你定义的每个光源后，你必须显式地打开它们。在例

glEnable(GL_LIGHT0);

§

本节将介绍如何定义物体的材质：环境反射色、漫反射色和镜面反射色，光泽度，以及出射光色。在光照和材质计算中用到的公式会在“光照中的数学”一节中介绍。大部分的材质特性参数与在建立光源时用过的参数相似，设置它们的机制也差不多，只不过这回使用的命令是

void glMaterial{if}[v](Glenum face, GLenum pname, TYPE param);

face参数可以是GL_FRONT, GL_BACK, 或 GL_FRONT_AND_BACK，分别代表材质应该贴到物体的哪个表面。材质特性的名称通过pname设置，特性值由

表6-2 glMaterial*()的pname参数及其缺省值

在“选择光照模型”一节中讨论过，你可以为物体的正反表面设置不同的光照效果。如果反面的确可以被看到的话，你可以通过glMaterial*()的face参数来使正反表面具有不同的材质特性。附录J的图J-19展示了一个内外材质不同的物体的光照效果。

想知道通过材质特性的设置会引起什么样的效果，请见附录图J-21，图中给出了同一个物体设置了不同材质特性的效果。整幅图使用的是相同的光照模型。下面的部分将详细讨论这些球体的效果是如何画出来的。

请注意，大部分材质特性的设置值是(R,G,B,A)颜色。不管在其它参数中alpha(也就是A)的含义，相对某个特定的顶点，它表示该顶点的漫反射光反射色的alpha，也就是给GL_DIFFUSE参数设置值的alpha值。(参阅“混合”一节关于alpha值的讨论)。同时，任何RGBA模式的材质特性使用的都不是颜色索引模式。参阅“颜色索引模式下的光照”一节以了解更多关于颜色索引模式的知识。

§

通过

环境光影响物体的总体色彩。因为当物体被光源直接照射时眼睛看到的主要的漫射光，所以只有当没有直接照明时环境光在物体上的效果才会被明显的看到。物体的环境反射光由全局环境光和各光源的环境光成分决定。与漫射光类似，环境光也不受视点位置的影响。

对于现实的物体来说，环境光和漫射光的颜色基本是一致的。因此，

GLfloat mat_amb_diff[] = { 0.1, 0.5, 0.8, 1.0 };

glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE, mat_amb_diff);

在本例中，RGBA色为(0.1, 0.5, 0.8, 1.0)－－一种深蓝色，这句话将物体正反表面的环境和漫射光色都设置为这种颜色。

在附录图J-21第一行的球体没有环境光反射－－(0,0,0,0)，第二行的环境光反射就比较大－－(0.7, 0.7, 0.7, 1.0)。

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物体上的镜面反射导致高光点。与环境光和漫射光不同，镜面反射的光强与视点的位置关系密切－－从反射角的方向看它最亮。想理解这一点，可以想象在阳光下看一个金属球的情形。当你移动脑袋的时候，高光点也会跟着移动一些。而移动超过一定限度时，你就完全看不到高光点了。

OpenGL允许你设置镜面反射高光点的RGBA颜色(通过GL_SPECULAR参数)，并控制高光点的大小和明亮程度(通过GL_SHININESS参数)。GL_SHININESS的取值范围是[0.0, 128.0]－－值越高，高光点越小且越亮(聚焦越好)。想了解高光点的计算请参阅“光照中的数学”一节。

在附录图J-21中，第一列的球体没有镜面反射，第二列的GL_SPECULAR 的GL_SHININESS值设置如下：

GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat low_shininess[] = { 5.0 };

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, low_shininess);

在第三列中，GL_SHININESS值都被增加到了100.0。

§

通过给GL_EMISSION参数设置一个RGBA值，你可以使物体看起来好象在发射那种颜色的光。因为大部分现实世界的物体(除了光源)都不发射光，所以你你最可能使用这个功能来模拟一盏灯以及场景中的其它光源。在图J-21中，第四列的球体都有绿色的GL_EMISSION：

GLfloat mat_emission[] = {0.3, 0.2, 0.2, 0.0};

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_EMISSION, mat_emission);

你会注意到这些球体微微有些荧光灯泡的感觉，不过它们在场景中不会起到光源的作用。要想真正有灯泡照亮别人的效果，你必须在球体的位置再定义一个位置型光源才行。

§

例

例

GLfloat no_mat[] = { 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 };

GLfloat mat_ambient[] = { 0.7, 0.7, 0.7, 1.0 };

GLfloat mat_ambient_color[] = { 0.8, 0.8, 0.2, 1.0 };

GLfloat mat_diffuse[] = { 0.1, 0.5, 0.8, 1.0 };

GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };

GLfloat no_shininess[] = { 0.0 };

GLfloat low_shininess[] = { 5.0 };

GLfloat high_shininess[] = { 100.0 };

GLfloat mat_emission[] = {0.3, 0.2, 0.2, 0.0};

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

//

glPushMatrix();

glTranslatef (-3.75, 3.0, 0.0);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, no_mat);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, no_mat);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, no_shininess);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_EMISSION, no_mat);

auxSolidSphere();

glPopMatrix();

//

glPushMatrix();

glTranslatef (-1.25, 3.0, 0.0);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, no_mat);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, low_shininess);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_EMISSION, no_mat);

auxSolidSphere();

glPopMatrix();

//

glPushMatrix();

glTranslatef (1.25, 3.0, 0.0);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, no_mat);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE,