Phong和Blinn-Phong光照模型

Posted 2020-12-29 timeobjserver

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Phong和Blinn-Phong是计算镜面反射光的两种光照模型，两者仅仅有很小的不同之处。

 

1.Phong模型

Phone模型计算中的一个关键步骤就是反射向量R的计算：

 

上图中的位于表面“下面”的向量 ‘I’ 是原始 ‘I’ 向量的拷贝，并且二者是一样的，现在我们的目标计算出向量 ‘R’ 。根据向量相加原则，向量 ‘R’ 等于 ‘I‘ + ‘V‘，‘I’ 是已知的，所以我们需要做的就是找出向量 ‘V’。注意法向量 ‘N’ 的负方向就是 ‘-N’，我们可以在 ‘I’ 和 ‘-N’ 之间使用一个点乘运算就能得到 ‘I’ 在 ‘-N’ 上面的投影的模。这个模正好是 ‘V’ 的模的一半，由于 ‘V’ 与 ‘N’ 有相同的方向，我们可以将这个模乘上 ‘N’ （其模为 1 ）再乘上 2 即可得到 ‘V’。总结一下就是下面的公式：

 

 

2.Blinn-Phong模型

 Phong模型中计算反射光线的向量是一件相对比较耗时的任务，因此Blinn-Phong对这一点进行了改进。

 

Ks：物体对于反射光线的衰减系数

N：表面法向量

H：光入射方向L和视点方向V的中间向量

Shininess：高光系数

 

可见，通过该式计算镜面反射光是符合基本规律的，当视点方向和反射光线方向一致时，计算得到的H与N平行，dot(N,H)取得最大；当视点方向V偏离反射方向时，H也偏离N。

同时H的计算比起反射向量R的计算简单的多，R向量的计算需要若干次的向量乘法与加法，而H的计算仅仅需要一次加法。

下面是用cg着色语言书写的Phong和Blinn-Phong的顶点和片段着色程序

 

Phong_FragmentLighting_v.cg

 

 

 1 struct V2F{
 2     float4 position:POSITION;
 3     float3 worldPosition: TEXCOORD0;
 4     float3 worldNormal :TEXCOORD1;
 5 };
 6 void Phong_FragmentLighting_v(float4 position :POSITION,
 7                               float4 normal:NORMAL,
 8                               uniform float4x4 modelMatrix,
 9                               uniform float4x4 modelMatrix_IT,
10                               uniform float4x4 modelViewProj,
11                               out V2F O){
12     O.position=mul(modelViewProj,position);
13     O.worldPosition=mul(modelMatrix,position).xyz;
14     O.worldNormal=normalize(mul(modelMatrix_IT,normal)).xyz;
15 }

 

Phong_FragmentLighting_f.cg

 1 void Phong_FragmentLighting_f(float3 position :TEXCOORD0,
 2                                float3 normal: TEXCOORD1,
 3                                uniform float3 globalAmbient,
 4                                uniform float3 lightColor,
 5                                uniform float3 lightPosition,
 6                                uniform float3 eyePosition,
 7                                uniform float3 Ke,
 8                                uniform float3 Ka,
 9                                uniform float3 Kd,
10                                uniform float3 Ks,
11                                uniform float  shininess,
12                                out float4 color:COLOR)
13               {
14                   float3 N=normalize(normal);
15                   float3 L=normalize(lightPosition-position);     
16                   float3 V=normalize(eyePosition-position);
17                   
18                   float3 R=reflect(-L,N);
19                   R=normalize(R);
20                   
21                   // Compute emissive term
22                   float3 emissive = Ke;
23 
24                  // Compute ambient term
25                  float3 ambient = Ka * globalAmbient;
26 
27                 // Compute the diffuse term
28                 float diffuseLight = max(dot(N, L), 0);
29                 float3 diffuse = Kd * lightColor * diffuseLight;
30 
31                 // Compute the specular term
32                 float specularLight = pow(max(dot(V, R), 0), shininess);
33                 if (diffuseLight <= 0) specularLight = 0;
34                 float3 specular = Ks * lightColor * specularLight;
35 
36                 //color.xyz = emissive + ambient + diffuse + specular;
37                 color.xyz=ambient + diffuse + specular;
38                 color.w = 1;
39               }

BlinnPhong_FragmentLighting_v.cg

 1 struct V2F{
 2     float4 position:POSITION;
 3     float3 worldPosition: TEXCOORD0;
 4     float3 worldNormal :TEXCOORD1;
 5 };
 6 void BlinnPhong_FragmentLighting_v(float4 position :POSITION,
 7                               float4 normal:NORMAL,
 8                               uniform float4x4 modelMatrix,
 9                               uniform float4x4 modelMatrix_IT,
10                               uniform float4x4 modelViewProj,
11                               out V2F O){
12     O.position=mul(modelViewProj,position);
13     O.worldPosition=mul(modelMatrix,position).xyz;
14     O.worldNormal=normalize(mul(modelMatrix_IT,normal)).xyz;
15 }

BlinnPhong_FragmentLighting_f.cg

 1 void BlinnPhong_FragmentLighting_f(float3 position :TEXCOORD0,
 2                                float3 normal: TEXCOORD1,
 3                                uniform float3 globalAmbient,
 4                                uniform float3 lightColor,
 5                                uniform float3 lightPosition,
 6                                uniform float3 eyePosition,
 7                                uniform float3 Ke,
 8                                uniform float3 Ka,
 9                                uniform float3 Kd,
10                                uniform float3 Ks,
11                                uniform float  shininess,
12                                out float4 color:COLOR)
13               {
14                   float3 N=normalize(normal);
15                   float3 L=normalize(lightPosition-position);     
16                   float3 V=normalize(eyePosition-position);
17                   
18                  float3 H=normalize(L+V);
19                   
20                   // Compute emissive term
21                   float3 emissive = Ke;
22 
23                  // Compute ambient term
24                  float3 ambient = Ka * globalAmbient;
25 
26                 // Compute the diffuse term
27                 float diffuseLight = max(dot(N, L), 0);
28                 float3 diffuse = Kd * lightColor * diffuseLight;
29 
30                 // Compute the specular term
31                 float specularLight = pow(max(dot(H, N), 0), shininess);
32                 if (diffuseLight <= 0) specularLight = 0;
33                 float3 specular = Ks * lightColor * specularLight;
34 
35                 color.xyz=ambient + diffuse + specular;
36                 color.w = 1;
37               }

效果对比：

Phong光照模型

Blinn-Phong光照模型

通过简单的对比发现，在相同条件下Blinn-Phong的高光范围要比Phong更大，写实效果Phong光照模型更好。但算法简单，运行速度快是Blinn-Phong光照模型的优点。