图形学基础-Phong和Blinn-Phong光照模型

Phong和Blinn-Phong光照模型都是基于经验的渲染模型，都是高光反射模型

Blinn-Phong 光照模型，又称为 Blinn-phong 反射模型（Blinn–Phong reflection model）或者 phong 修正模型（modified Phong reflection model），是由 Jim Blinn于 1977 年在文章“Models of light reflection for computer synthesized pictures”中对传统 phong 光照模型基础上进行修改提出的。

和传统 phong 光照模型相比，Blinn-phong 光照模型混合了 Lambert 的漫射部分和标准的高光，渲染效果有时比 Phong 高光更柔和、更平滑，此外它在速度上相当快，因此成为许多 CG 软件中的默认光照渲染方法。此外它也集成在了大多数图形芯片中，用以产生实时快速的渲染。在 OpenGL 和 Direct3D 渲染管线中， Blinn-Phong 就是默认的渲染模型。

Phong不能处理的情况

Phong模型在计算镜面光系数为:

1
2

float   specFactor = pow(max(dot(reflectDir, viewDir), 0.0), 32); // 32为镜面高光系数
//其中viewDir是相机坐标和物体坐标之差，reflectDir是光照方向与物体法向的反射，如下图所示：

高光发射的值由反射向量和观察向量决定. 当两者的夹角θ超过90时，截断为0.0.就没有高光反射分量了.因此Phong模型能处理的是下面的左图中(θ≤90)的情况,而对于右图中(θ>90)的情况则镜面光成分计算为0.

但是这种计算方式有一个问题，如右图所示：当相机和光照处于同一侧时，此时得到的反射向量reflectDir和视角的方向viewDir的夹角已经大于90度，因此通过dot计算得出的值为负数。表现在渲染结果中就是当相机转到某个角度的时候，高光反射会突然消失，显得很不自然：为了解决这个问题，James F.Blinn与1977年提出了Phong模型的改进算法：Blinn-Phong光照算法。该算法相比于Phong增加了HalfDir的概念

而右图的这种情况实际上是存在的，将镜面光成分取为0，没有很好地体现实际光照情况。

Blinn-Phong

Blinn-Phong模型不再依赖于反射向量，而是采用了所谓的 **半程向量(Halfway Vector)**，即光线与视线夹角一半方向上的一个单位向量。当半程向量与法线向量越接近时，镜面光分量就越大。

HalfDir是光照方向和视角方向的相加并归一化，最终比较的是它和normal的夹角。因为HalfDir和normal的夹角永远不会高于90度，因此不用担心dot值出现负数的情况。计算代码如下所示：

vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos); 
vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
vec3 halfwayDir = normalize(lightDir + viewDir);
float spec = pow(max(dot(normal, halfwayDir), 0.0), shininess);

半角向量计算公式

当观察向量与反射向量越接近，那么半角向量与法向量N越接近，观察者看到的镜面光成分越强。

Blinn-Phong： ambientColor + diffColormax(0,dot(n,l)) + specColormax(0,dot(n,h))*shininess

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