1.漫反射

此模型属于经验模型,主要用来简单模拟粗糙物体表面的光照现象

此模型假设物体表面为理想漫反射体(也就是只产生漫反射现象,也成为Lambert反射体),同时,场景中存在两种光,一种为环境光,一种为方向光,然后我们分别计算这两种光照射到粗糙物体表面所产生的光照现象,最后再将两个结果相加,得出反射后的光强值。

首先是计算环境光的公式:

I_ambdiff = K_d * I_a;

其中,K_d为粗糙物体表面材质对光的反射系数,这个系数由程序编写者在宿主程序中给出,I_a为环境光的光强,也就是环境光的颜色数值,一般是一个float3型的变量。

然后是计算方向光的公式:

I_ldiff = K_d * I_l * cosa;

其中I_l为方向光的光强,也就是其颜色值,一般是float3型的变量。这个公式与计算环境光的不同,对于环境光,我们不关心它的方向,因为环境光也没有方向,它给予物体的光照在各个顶点处均是一样的。而方向光则需要关注其方向,例如一个聚光灯,灯从不同的角度来照射物体所产生的效果也是不一样的,光线方向越靠近法线,漫反射出来的光就越强,反之则越弱。公式中的a就是光线方向与顶点法线的夹角,同时要注意,入射光的方向在这里定义为顶点到光源位置。但是计算cosa会比较麻烦,所以在这里要变换一下公式,方便程序的书写。假设N为顶点的单位法向量,L为入射光的单位法向量(再次提醒一下,L的方向是由顶点指向光源的)这样,由向量的点积公式可得:cosa = N﹒L,所以计算方向光的公式就变为:

I_ldiff = K_d * I_l * (N﹒L);

综上,得出漫反射后的光强为:

I_diff = K_d * I_a + K_d * I_l * (N﹒L);

2.Phong模型

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。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

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(颜色),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

3.BlinnPhong

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|)

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