Phong光照模型、Blinn-phong光照模型归纳

NND总算考完试了。。。而且前几天还和季老一起研究开发个2D伪游戏引擎，所以光照模型这块一直没看，这会儿把最后两个经验模型总结一下，权当复习了，然后就开始看高级光照模型。。

 

 

上次说到Lambert漫反射光照模型，这是一个用来模拟粗糙表面对光线的漫反射现象的经验模型，对于纸张、粗糙墙壁等等来说，这个模型或许够用，但对于金属这样的光滑表面来说，我们就需要使用Phong模型来模拟光滑表面对光线的镜面反射现象。同Lambert一样，这个模型也是经验模型，而且在程序中，我们经常同时使用Lambert和Phong两个模型，因为在现实世界中，任何表面都会同时发生漫反射和镜面反射两种现象，因此我们就要使用两种模型分别计算两种反射后的光强（也就是顶点颜色值），是渲染的效果看起来真实一些。但要注意，这样做并不会带来真正真实的渲染效果，毕竟这两种模型都是经验模型，考虑的都是理想情况下。而Blinn-phong光照模型是基于Phong的修正模型，因此就一并归纳了。

 

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接下来让我们看看Phong模型：

我们知道，在理想状况下，镜面反射后的光之集中在一条线上，因此我们的视线离这条线的距离越近，射入我们眼中的光线就越多，我们看到的光强也就越强。同时，镜面反射也与物体表面的高光指数（物体表面光泽程度）有关，其数值越大，反射后的光线越集中，反之则越分散，这里可能会有人想：如果将高光指数设置的很大，也就是光线极其分散，Phong是否可以用来代替Lambert？我想答案肯定是不行的，原因是漫反射是将光线反射到各个角度，而镜面反射即使反射光线再分散，它们依旧被限制在一个90度的区域中，因此与漫反射的效果是不一样的。

下面给出公式：

I_spec = k_z * I_l(V • R)^n_s

 

其中：k_z为表面材质的镜面反射系数，n_s是高光指数，V表示顶点到视点的向量，R表示反射光的单位向量。

 

但是在实际的程序编写中，我们一般都会更容易得到入射光线的单位向量L，所以我们最好转换一下公式。设顶点的单位法向量为N，有公式：

R + L = (2N • L)N   （这里再次提醒一下，L的方向是由顶点指向光源的）

由这个可以推出：

R = (2N • L)N - L

所以模型公式可以变为：

I_spec = k_z * I_l(V • ((2N • L)N - L))^n_s

 

下面是用Cg语言实现Phong模型的代码：

/******************************************************/

/*Phone镜面光照模型，同时也加入了Lambert漫反射光照模型  */

/******************************************************/

 

struct vertex_In

{

    float4 in_Position : POSITION;

    float4 in_Normal   : NORMAL;

}

 

struct vertex_Out

{

    float4 out_Position : POSITION;

    float4 out_Color    : COLOR0;

}

 

void main_v(vertex_In vertexI,

            out vertex_Out vertexO,

 

            uniform float4*4 modelViewProj,

            uniform float4*4 worldMatrix,

            uniform float4*4 worldMatrix_IT,

            uniform float3 globalAmbient,

            uniform float3 eyePosition,

            uniform float3 lightPosition,

            uniform float3 lightColor,

            uniform float3 K_d,

            uniform float3 K_s,

            uniform float N_s

            )

{

    vertexO.out_Position = mul(modelViewProj , vertexI.in_Position);//计算输出定点位置

 

    float3 worldPosition = mul(worldMatrix , vertexI.in_Position).xyz;//计算定点世界位置

 

    float3 N = normalize(mul(worldMatrix , vertexI.in_Normal).xyz);//计算定点法线向量

    float3 V = normalize(eyePosition - worldPosition);//计算定点到视点的方向

    float3 L = normalize(lightPosition - worldPosition);//计算入射光方向

    float3 R = normalize(N*max(dot(2*N , L) , 0) - L);//计算反射光方向

 

    float3 diffuseColor = K_d*globalAmbient + K_d*lightColor*max(dot(N , L) , 0);//计算漫反射光强

    float3 specularColor = K_s*lightColor*pow(max(dot(V , R) , 0) , N_s);//计算镜面反射光强

 

    vertexO.out_Color.rgb = diffuseColor + specularColor;

    vertexO.out_Color.a = 1;

}

以上代码只使用了顶点着色程序，因此只对几何顶点进行渲染，而不对片段内部的点进行处理，因此如果用来渲染低精度模型效果会很不好，因此我们就要再加入片段着色程序。

代码如下：

/******************************************************/

/*Phone镜面光照模型，同时也加入了Lambert漫反射光照模型*/

/******************************************************/

 

struct vertex_In

{

    float4 in_Position : POSITION;

    float4 in_Normal   : NORMAL;

}

 

struct vertex_Out

{

    float4 out_Position     : POSITION;

    float4 out_objecPos     : TEXCOORD0;

    float4 out_objectNormal : TEXCOORD1;

}

 

void main_v(vertex_In vertexI,

            vertex_Out vertexO,

            uniform float4*4 modelViewProj

            )//顶点着色程序入口

{

    vertexO.out_Position = mul(modelViewProj , vertexI.in_Position);//计算输出定点位置    

    vertexO.out_objectPos = vertexI.in_Position;

    vertexO.out_objectNormal = vertexI.in_Normal;

}

 

void main_f(vertex_Out vertexI,

            out float4 colorO : COLOR,

 

            uniform float4*4 worldMatrix,

            uniform float4*4 worldMatrix_IT,

            uniform float3 globalAmbient,

            uniform float3 eyePosition,

            uniform float3 lightPosition,

            uniform float3 lightColor,

            uniform float3 K_d,

            uniform float3 K_s,

            uniform float N_s

            )//片段着色程序入口

{

    float3 worldPos = mul(worldMatrix , vertexI.out_objecPos).xyz;//计算定点世界位置

    float3 N = normalize(mul(worldMatrix , vertexI.out_objectNormal).xyz);//计算定点法线向量    

 

    float3 V = normalize(eyePosition - worldPosition);//计算定点到视点的方向

    float3 L = normalize(lightPosition - worldPosition);//计算入射光方向

    float3 R = normalize(N*max(dot(2*N , L) , 0) - L);//计算反射光方向

 

    float3 diffuseColor = K_d*globalAmbient + K_d*lightColor*max(dot(N , L) , 0);//计算漫反射光强

    float3 specularColor = K_s*lightColor*pow(max(dot(V , R) , 0) , N_s);//计算镜面反射光强

 

    colorO.rgb = diffuseColor + specularColor;

    colorO.a = 1;

}

这样的话程序就会对片段中的点也进行处理，渲染效果也会好一些。

 

 

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接下来归纳一下Blinn-phong光照模型

 

相比较Phong模型，Blinn-phong模型只适用N•H替换了V•R，但却获得了明显的提高，它能提供比Phong更柔和、更平滑的高光，而且速度上也更快，因此成为很多CG软件中默认的光照渲染方法，同时也被集成到大多数的图形芯片中，而且在OpenGL和DirectX 3D的渲染管线中，它也是默认的光照模型。

 

由于这两个光照模型公式基本相同，所以只解释一下N•H：

N与前面相同，是顶点的单位法向量，而H则是入射光L和顶点到视点的单位向量的角平分线单位向量，通常也成为半角向量。其计算方法为：

H = (L + V) / (|L + V|)

 

书上说半角向量广泛应用于各类关照模型，其中蕴含了很重要的信息，至于具体是神马，还需要去在考证一下。。。

 

Blinn-phong光照模型的代码与Phong几乎一样，这里也就不给出了。