镜面反射与Phong模型

时间:2022-01-09 14:49:31

在许多情形中,与景物的内部距离相比,光源与景物之间的距离大得多,例如太阳光照射一个城市的情形。在这种情形中,可以假定从光源发出的照明作用在整个景物上是恒定的,可以完全不考虑由于距离所引起的变化。

    下面再看镜面反射的情形。镜面反射是指来自具体光源的光线到达可见表面上的某一点后,主要沿着由入射角等于反射角所决定的方向传播,从而使得观察者从不同角度观察时,这一点呈现的亮度并不相同。在任何有光泽的表面上都可以观察到镜面反射的效果。例如,用很亮的光照射一个红色苹果,会发现最亮点不是红色的,而是有些呈现白色,这是入射光线的颜色。这个最亮点就是有镜面反射引起的。如果观察者移动位置,会看到最亮点也随之移动,这是因为光泽表面在不同方向对光线的镜面反射是不同的。在理想的光泽表面上,例如非常好的镜面上,反射光线只是在由入射角等于反射角所确定的方向上才有。这意味着此时在图所示的镜面反射示意图中,只有当观察者相对表面的方向V与反射光线的方向R之间的夹角α为零时,才能看到镜面反射引起的反射光线。对于不是非常理想的光泽表面,例如一个苹果,反射光线引起的亮度随着α的增大而迅速下降。

镜面反射与Phong模型

     由Phong Bui-Tuong提出的光照明模型,用镜面反射与Phong模型来近似表示反射光线引起的亮度随着α的增大而下降的速率。n的取值一般在1~2000之间,决定于反射表面的有关性质。对于理想的反射表面,n就是无穷大。这里选用镜面反射与Phong模型是以观察经验为基础的。

     对实际物质来说,被镜面反射的入射光的数量是与入射角θ有关的。如果将镜面反射光的百分数记为W(θ),那么就可以将计算表面亮度的式修改而得到

镜面反射与Phong模型

这里可以假定反射光线的方向向量R和指向观察点的向量V都已经正规化,即已经是长度为1的单位向量,于是可以简单地利用向量内积计算余弦值:cosα=R.V。对W(θ),通常根据经验选取一个常数Ks来代替,这样上式可写成下面更容易计算的形式:

镜面反射与Phong模型

     实验表明,应用上式已经可以得到很好的具有明暗表现的画面,这个公式是形成具有明暗表现画面的良好基础。

     对于彩色表面,上述各公式也可以应用,只需分别应用于对各颜色分量的计算。例如,选择通常的红、绿、蓝颜色系统时,上述公式中有关亮度及反射系数等,就要看做是三元向量。通过分别对各颜色分量进行计算,就可以完成对彩色表面的亮度计算。

    在对真实感图像的不断研究探索中,人们还不断提出一些更完美的光照明模型,或者对已有的光照明模型做出改进。这方面的研究工作是很多的。