计算机图形学（七）——Phong光照模型

计算机图形学（七）——Phong光照模型

• Phong光照反射模型
• • 点光源
  • 环境光
  • 漫反射
  • 镜面反射

Phong光照反射模型

Phong反射模型认为来自一个表面的反射由下面三个线性叠加的分量组成：
反射光=环境光+漫反射光+镜面反射光
某一点的光照强度
$$I=I_a+I_d+I_s=L_a\ast R_a+L_d\ast R_d+L_s\ast R_s.$$

点光源

理想的点光源向所有方向发射的光线强度都相等。
一个位于点P0的点光源：
$$I_{(}{p}_0)=[I_r(p_0)、I_g(p_0)、I_g(p_0)]$$
那么从点p从点光源处接收到的光线强度：
$$i(p,p_0)=1/|p-p_0{|}^2\ast I(p_0)$$
仅仅通过点光源来照明往往会让场景之间的亮暗反差比较大，通过设置环境光，可以减弱由点光源照明引起的过高的对比度。因此会使用一个衰减因子。与距离的平方反比，从而获得柔和的照明效果。
反射模型用4个向量来计算表面上任一点的颜色值，四个向量分别为：

1. n ：表面在p处的法向量
2. v ：p指向观察者的向量
3. l ： p指向扩展光源上任意一点的向量
4. r ： 沿着向量l的方向入射的光线按照反射定律的出射方向
   光源的表示：
   $$\left[\begin{array}{ccc}{L}_{ira}& L_{iga}& L_{iba}\\ L_{ird}& L_{igd}& L_{ibd}\\ L_{irs}& L_{igs}& L_{ibs}\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(1)}$$
   rgb代表红绿蓝，ads代表环境光分量、漫反射光分量和镜面反射光分量。

环境光

环境光是一个常数，并且是全局照明或者间接照明的一种模拟。这一项是必需的，因为一个表面的各个部分不可能“看到”光源，但是观察者可以看到光源，而且需要光源来照明。否则的话，物体将被绘制成黑色的。在现实中，这样的光照来自全局照明或间接照明。
计算：
$$K_a=R_a$$
所有点的环境光强度都是相同的，反射部分由环境光的反射系数决定，存在三个反射系数，分别为
$K{a}_r,K{a}_g,K{a}_b.$这三个反射系数可以不相同,并且满足三个系数均大于0，小于1。
$$I_a=K_a\ast L_a$$

漫反射

漫反射表面粗糙，到各个方向反射的光线强度都相等。
计算：
$$K_d=R_d$$
入射方向和表面存在一定的夹角，因此漫反射光强：
$$I_d=K_d\ast L_d\ast (\vec{l}\cdot \vec{n})$$
其中l，n分别代表法向量的方向和光线的方向。
同样可以考虑加衰减因子。

镜面反射

镜面反射为高光，观察者看到的光线强度取决于理想反射光线的方向r和观察者的方向v这两个方向之间的夹角。
计算：
$$I_s=K_s\ast L_s\ast co{s}^a(\varphi )$$
其中$\alpha$代表高光系数，金属表面大于100小于500，小于100对应高光区域比较大的材质。
同样可以考虑加衰减因子。