数学可视化(11)——Phong与Blinn-Phong

前言

• 对于光滑表面表现出来的镜面反射高光，Lambert模型的表现就乏力了

Phong经验光照模型

• 镜面反射分量的光强，与反射光线向量r及视线向量v的夹角α相关
• Phong光照方程：
• I_spec = C_light * m_spec * (r · v)^mgloss = C_light * m_spec * (cosα)^mgloss
• C_light为光源颜色或强度
• m_spec为材质的镜面反射系数，也可理解为材质镜面反射的颜色
• 反射光线方向r可由入射方向光l和物体表面法线n求出。公式为：r = 2 (n · l) * n - l
• m^gloss代表光泽度，也就是物体表面的光滑程度
• 反射光线方向与观察方向的夹角越小，镜面反射高光的贡献值就越大，高光强度就越强
• 换句话说，镜面反射的光强与观察者的角度有关。Phong光照模型有助于观察者了解物体表面的弯曲情况，判断出光源方向和位置

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// Phong光照模型
float3 Phong(float3 lightDir, float3 normal, float3 viewDir, float shininess, float3 lightColor, float3 specularColor)
{
    float3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    return lightColor * specularColor * pow(max(0.0, dot(reflectDir, viewDir)), shininess);
}

• 先计算反射光方向，再根据光源颜色、镜面反射系数、反射光方向和观察者向量点乘的结果，以及光泽度，计算出镜面反射分量

• 白点就是Phong光照模型计算出的镜面反射分量，也就是高光的表现
• 再将环境光照、漫反射光照与镜面反射光叠加，就可以得到一个经典的局部光照模型了

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...
               float3 ambient = float3(0.2, 0.2, 0.2);
               float3 diffuse = Lambert(lightdirI, n, lightColor, matColor);
               float3 specular = Phong(lightdirI, n, -rayDir, 32.0, lightColor, matColor);
               c += ambient + diffuse + specular;

Blinn-Phong经验光照模型

• 是基于Phone光照模型的修正模型，只是将公式中的(r · v)换成了(n · h)
• h为半角向量（半程向量），位于观察向量v与光线l的角平分线方向，可以由l+v单位化后获得，比计算反射向量r更快
• 对比发现，Blinn-Phong与Phong模型都有高光表现，但Blinn-Phong的高光表现在相同的光泽系数下，高光表现更为分散一些