一步步学Metal图形引擎9-《Blinn-Phong光照模型》

Posted 2022-12-07 Mr_厚厚

教程 9

Blinn-Phong光照模型

教程源码下载地址： https://github.com/jiangxh1992/MetalTutorialDemos

CSDN完整版专栏： https://blog.csdn.net/cordova/category_9734156.html

一、原理

前面的教程我们完成了漫反射、镜面反射和环境光的计算，基于Phong光照模型组合三者得到不错的光照效果，这里我们对其中的镜面反射做了调整修正，也就是这篇教程中要实现的Blinn-Phong光照模型。

Blinn-Phong光照模型是对Phong模型的改进修正，高光部分的计算做了调整，加入了计算更简单且具有特殊物理意义的半角向量H，使得计算速度上更加高效，高光效果比Phong更加柔和平滑。

半角向量H指的是光的入射方向L和视线方向V的中间向量，计算方法很简单：

半角向量在各类光照模型中应用很广泛，一方面是它的计算很简单高效，另一方面它具有特殊的信息含义，在基于物理的渲染中，它具有表达D项法线分布的作用，可以表示微表面理论中微小表面能反射到视角的法线比例，是光照计算中一个重要的中间变量。

在高光强度分量的计算中，相比于之前的Phong模型，Blinn-Phong中用N · H取代了V · R，这样高光部分的计算公式变为：

其中N是表面法线向量，H是半角向量，IL是光源强度，ks是镜面反射系数（0～1），n是高光指数。

所以这里源码中的实现很简单，只要计算出半角向量H，修改下shader中高光部分的计算即可。

二、源码分析

2.1 Shaders.metal

// ...
// 半角向量
float3 H = normalize(L + V);
// ...

片段着色器中根据已有的入射光方向L和视线方向V直接计算出半角向量H。

// ...
// Specular(Blinn-Phong)
float specular = uniforms.IL * uniforms.Ks * pow(fmax(dot(N, H), 0), uniforms.shininess);
// ...

高光部分将V和R的点积替换为N和H的点积即可。

三、运行效果

效果上只是高光部分有所不同。

Blinn-Phong只是经验模型的另一种方案，和Phong模型相比各有优劣，都和现实光照有着很大差异，都是简单高效的基础光照模型。

相比来看，Phong光照比Blinn-Phong更加真实，而Blinn-Phong光照更加柔和，同样高光系数下，Blinn-Phong高光区域范围更大，明暗界限相对不明显。