三维游戏图形学学习笔记（一）基本光照模型

　　游戏中常用的光主要有四种：环境光（ambient）、漫反射光（diffuse）、镜面反射光（高光，specular）和自发光（emissive）。
　　基本公式：

$$final = ambient + diffuse + specular + emissive$$

1.环境光

　　环境光是看起来在明亮环境中无所不在的光。比如说，看下你的桌底，尽管没有光源直接照射，你似乎还是可以看到桌下的深远地方并且描绘出其外形。这种光是通过物体表面与光线的不断交互产生的（比如不断反射、折射叠加产生的）。当光线到达物体表面时，他们会被部分或完全的反射、吸收掉，这个过程会持续无数次。所以还是会有光线可以到底你的桌底，即使只是很小的一部分。

$$ambient = Ka * globalAmbient$$
　　其中：
　　　　 - Ka是材质的环境反射系数
　　　　 - globalAmbient是入射环境光的颜色。

2.漫反射光

　　漫反射光代表了从一个表面相等地向所有方向反射出去的方向光。

漫反射示意图

　　公式如下：

$$diffuse = Kd * lightColor * max(dot(N,L),0)$$
　　其中：
　　　　 - Kd是材质的漫反射颜色
　　　　 - lightColor 是灯光的颜色
　　　　 - N是标准化的顶点法向量
　　　　 - L是标准化的指向灯光的向量

　　这里需要解释一下

$$max(dot(N,L),0)$$

　　规范化的向量N和L的点积是两个向量之间夹角的一个度量，夹角越小，P点受到更多的入射光照。而背向光源的表面将产生负数点积值，因此，公式max(dot(N,L),0)使得背向光源的表面的漫反射光为0，确保这些表面不会显示漫反射光照。

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3.镜面反射光

　　镜面反射光又称高光，是指由光源直接经物体表面反射入眼睛的光线。镜面反射使物体看上去有光泽，粗糙表面因反射率不高，所以缺乏此效果。镜面反射的强度取决于物体，光源和观察者。

镜面反射光示意图

3.1 Phong光照模型

$$specular = Ks * lightColor * (max(dot(N,R)), 0)^{shininess}$$
　　其中：
　　　　 - Ks是材质的镜面反射颜色
　　　　 - lightColor是入射镜面反射光的颜色
　　　　 - N是归一化的表面法向量
　　　　 - R是归一化的反射光方向向量
　　　　 - shininess是高光指数，其值越大，则表面越光滑，反射光越集中，高光范围越小
　　反射光方向R的计算公式：
$$R = 2 * (N · L) * N - L$$
　　其中：
　　　　 - N是归一化的表面法向量
　　　　 - L是归一化的指向灯光的方向向量

3.2 改进的Blinn-Phong光照模型

$$specular = Ks * lightColor * (max(dot(N,H)), 0)^{shininess}$$
　　其中：
　　　　 - Ks是材质的镜面反射颜色
　　　　 - lightColor是入射镜面反射光的颜色
　　　　 - N是归一化的表面法向量
　　　　 - H是归一化的指向灯光的方向向量L和视点方向V的中间向量
　　　　 - shininess是高光指数，其值越大，则表面越光滑，反射光越集中，高光范围越小
　　中间向量H的计算公式：
$$H=\frac{L+V}{\left |L+V \right |}$$
　　其中：
　　　　 - L是归一化的指向灯光的方向向量
　　　　 - V是归一化的指向视点的方向向量
　　Blinn-Phong光照模型与Phong光照模型的不同在于同样的参数下，前者的高光范围要大一点。同时，H的计算要比R的计算简单一些。在代码里R的计算是这么写的： R = 2 * (dot(N, L) * N) - L，而H是这么写的： H = normalize(L + V)，可以看出Blinn-Phong光照模型的计算确实简单一些。

Phong光照模型效果

Blinn-Phong光照模型效果

4.自发光

　　自发光即物体自身所发出的光，但并不影响场景中其他物体。公式为：

$$emissive = Ke$$
　　其中：
　　　　 - Ke代表材质的放射光颜色

参考资料：

http://www.cnblogs.com/QG-whz/p/5189831.html?utm_source=tuicool&utm_medium=referral
http://blog.csdn.net/bianchengxiaosheng/article/details/51427407