光照模型汇总
1. Lambert模型
理想漫反射模型，各个方向一样。
Lambert光照模型是一个非常简单的模型，由Lambert在200多年前提出，当光照射到粗糙的表面时，它将向四周均匀的反射。这种各向同性 的反射叫漫反射(Diffuse reflection)。漫反射光的强度服从于Lambert定律，光强与入射光的方向和反射点处表面法向夹角的余弦成正比。Lambert模型的数学表 达示如下：
Idiffuse = Kd*Id*cosθ
Kd表示物体表面漫反射属性，Id表时入射光强。若N表示入射点单位法向量，L表示从入射点指向光源的单位向量（注意是入射点指向光源，表示了入射光的方向），由点乘与cos之间的关系，cosθ = N●L,则Lmbert模型可表示为：
Idiffuse = Kd*Id*(N●L)
下面是对应的Vertex Shader 和Pixel Shader
float4x4 matWorldViewProjection;
float4x4 matWorldView;
float3 lightPos;
struct VS_INPUT
{
float4 position : POSITION0;
float3 normal: NORMAL;
};
struct VS_OUTPUT
{
float4 position : POSITION0;
float3 normalInView: TEXCOORD0;
float3 lightDirInView: TEXCOORD1;
};
VS_OUTPUT vs_main( VS_INPUT
Input )
{
VS_OUTPUT Output;
//将顶点变换到相机透视空间
Output.position = mul( Input.position, matWorldViewProjection );
//将法线变换到视图空间
Output.normalInView = mul( Input.normal, matWorldView);
// 计算视图空间的灯光方向
Output.lightDirInView = lightPos - mul( Input.position, matWorldView);
return Output;
}
float4 ambientColor;
float4 diffuseColor;
struct PS_INPUT
{
float3 normalInView: TEXCOORD0;
float3 lightDirInView: TEXCOORD1;
};
struct PS_OUTPUT
{
float4 color : COLOR0;
};
PS_OUTPUT ps_main( PS_INPUT In )
{
PS_OUTPUT Out;
// 归一化
In.normalInView = normalize(In.normalInView);
In.lightDirInView = normalize(In.lightDirInView);
// 根据Lambert模型，法线点乘入射光方向计算漫反射
float4 diffuse = max( 0, dot( In.normalInView, In.lightDirInView ));
diffuse = diffuse * diffuseColor;
Out.color = ambientColor +
diffuse;
return Out;
}
Lambert光照模型效果
2.Phong（1975）[1]
经验模型，R和V的夹角决定镜面高光的强度。
Lambert模型能很好的表示粗糙表面的光照，但不能表现出镜面反射高光。1975年Phong Bui Tong发明的Phong模型，提出了计算镜面高光的经验模型，镜面反射光强与反射光线和视线的夹角a相关：
Ispecular = Ks*Is*(cos a) n
其中Ks为物体表面的高光系数，Is为光强，a是反射光与视线的夹角，n为高光指数，n越大，则表面越光滑，反射光越集中，高光范围越小。如果V表示顶点到视点的单位向量，R表示反射光反向，则cos a可表示为V和R的点积。模型可表示为：
Ispecular = Ks*Is*(V●R) n
反射光放向R可由入射光放向L（顶点指向光源）和物体法向量N求出。
R = (2N●L)N – L
1) VertexShader
float4x4 matWorldViewProjection;
float4x4 matWorldView;
float4x4 matView;
float3 lightPos;
struct VS_INPUT
{
float4 position : POSITION0;
float3 normal: NORMAL;
};
struct VS_OUTPUT
{
float4 position : POSITION0;
float3 normalInView: TEXCOORD0;
float3 lightDirInView: TEXCOORD1;
float3 viewDirInView: TEXCOORD2;
};
VS_OUTPUT vs_main( VS_INPUT Input )
{
VS_OUTPUT Output;
Output.position = mul( Input.position, matWorldViewProjection );
Output.normalInView = normalize(mul( Input.normal, matWorldView));
Output.lightDirInView = normalize(lightPos - mul( Input.position, matWorldView));
float3 position = mul( Input.position, matWorldView);
Output.viewDirInView = normalize(matView[3].xyz - position);
return Output;
}
2) PixelShader
float4 ambientColor;
float4 diffuseColor;
float4 specularColor;
struct PS_INPUT
{
float3 normalInView: TEXCOORD0;
float3 lightDirInView: TEXCOORD1;
float3 viewDirInView: TEXCOORD2;
};
struct PS_OUTPUT
{
float4 color : COLOR0;
};
PS_OUTPUT ps_main( PS_INPUT In )
{
PS_OUTPUT Out;
float4 diffuse = max( 0, dot( In.normalInView, In.lightDirInView ));
diffuse = diffuse * diffuseColor;
float3 vReflect = normalize( 2 * dot( In.normalInView, In.lightDirInView) * In.normalInView - In.lightDirInView );
float4 specular = specularColor * pow( max( 0, dot(vReflect, In.viewDirInView)), 2 );
Out.color = ambientColor + diffuse + specular;
return Out;
}
Phong光照模型效果
3.Blinn-Phong（1977）[2]
引入了半角向量的概念，对Phong模型进行了改进，镜面高光由n和h的夹角决定。
图形学界大牛Jim Blinn对Phong模型进行了改进，提出了Blinn-Phong模型。Blinn-Phong模型与Phong模型的区别是，把dot(V,R)换 成了dot(N,H)，其中H为半角向量，位于法线N和光线L的角平分线方向。Blinn-Phong模型可表示为：
Ispecular = Ks*Is* pow(( dot(N,H), n )
其中H = (L + V) / | L+V |，计算H比计算反射向量R更快速。
1) VertexShader
float4x4 matWorldViewProjection;
float4x4 matWorldView;
float4x4 matView;
float3 lightPos;
struct VS_INPUT
{
float4 position : POSITION0;
float3 normal: NORMAL;
};
struct VS_OUTPUT
{
float4 position : POSITION0;
float3 normalInView: TEXCOORD0;
float3 lightDirInView: TEXCOORD1;
float3 viewDirInView: TEXCOORD2;
};
VS_OUTPUT vs_main( VS_INPUT Input )
{
VS_OUTPUT Output;
Output.position = mul( Input.position, matWorldViewProjection );
Output.normalInView = mul( Input.normal, matWorldView);
Output.lightDirInView = lightPos - mul( Input.position, matWorldView);
float3 vPosition = mul( Input.position, matWorldView);
Output.viewDirInView = normalize(matView[3].xyz - vPosition);
return Output;
}
2) PixelShader
float4 ambientColor;
float4 diffuseColor;
float4 specularColor;
struct PS_INPUT
{
float3 normalInView: TEXCOORD0;
float3 lightDirInView: TEXCOORD1;
float3 viewDirInView: TEXCOORD2;
};
struct PS_OUTPUT
{
float4 color : COLOR0;
};
PS_OUTPUT ps_main( PS_INPUT In )
{
PS_OUTPUT Out;
In.normalInView = normalize(In.normalInView);
In.lightDirInView = normalize(In.lightDirInView);
float4 diffuse = max( 0, dot( In.normalInView, In.lightDirInView ));
diffuse = diffuse * diffuseColor;
float3 H = normalize(In.viewDirInView + In.lightDirInView);
float4 specular = specularColor * pow( max( 0, dot(H, In.normalInView)), 2 );
Out.color = ambientColor + diffuse + specular;
return Out;
}
Blinn-Phong光照效果
4. Cook-Torrance 模型（1982）[3]
用模型模拟了金属和塑料材质，考虑到了入射角变化时发生的颜色偏移。
基本反射模型：
其中环境光和漫反射分量不依赖于观察者的位置。
假设表面是由微面元组成的，镜面分量写为：
加入了：几何项G、Fresnel项、粗糙度项D.
粗糙度项D：代表了可以有效反射光的那一部分微面元所占的比例。
有多种分布函数：
高斯分布模型：
Beckmann分布函数：
几何项G：几何衰减项，表现了微小面元之间的互相遮挡（shadowing and masking）所造成的影响。
Fresnel项F:描述了在每一个微面元上光是如何反射。与入射角和波长相关。
通过垂直入射时的公式，可以解出折射率n，然后再将得到的n代入原来的公式即可得到其他各个角度下的F。
这个过程可以对不同的波长重复多次，以获得反射的方向和光谱分布。
几点理论：当入射角接近90°的时候，F接近于1，反射光的颜色接近于光源的颜色。颜色偏移在入射角接近90°变得很重要。可以用查找表简化计算。
镜面反射的颜色通常是材料的颜色而不是光源的颜色。
塑料使用白色的镜面高光，漫反射成分大而镜面反射成分小。这种物体的漫反射颜色和镜面反射颜色通常不同。
金属的反射一般发生在表面，漫反射分量很小，有时甚至可以忽略。粗糙度的值m也很小。
5．Kajiya各向异性反射模型（1985） [4]
根据电磁波理论推导出来的模型，反映了各向异性表面的反射和折射。
6.Oren-Nayar 模型（1994）[5]
提出对于体反射来说，lambertian的模型不能正确体现其效果。
本模型主要对粗糙表面的物体建模，比如石膏、沙土、陶瓷还有布。
用了一系列的lambert微面元，考虑了微小面元之间的相互遮挡（shadowing and masking）和互相反射照明。
7.Minnaert 漫反射模型（Marcel Minnaert 1941）
丝绒 反射公式
8.Ward 反射模型
各向同性。
各项异性。
9.Schlick反射模型
简化了Phong模型的指数运算。
10. Xiao D. He模型（1991）[6]
一个非常复杂的综合物理模型。
但仍然是一个反射模型。
基于物理光学，描述了表面的镜面反射、有方向的漫反射、均匀漫反射。
反射光依赖于波长、入射角、两个表面粗糙度系数、表面折射率。
可以应用到金属、非金属、塑料（光滑、粗糙）。
浙公网安备 33010602011771号