phong著色.docx

Phong光照模型的簡(jiǎn)單說明我簡(jiǎn)單地介紹一下Phong光照模型.雖然這種光照模型算是比較古老的，但是通過合適的參數(shù)設(shè)置，仍然可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的效果。我們的目標(biāo)是渲染出以下效果，這里以Doom3的男主角為例（終于不是怪物了.）一般而言，Phong光照模型分為三個(gè)累加階段：漫反射，鏡面反射和環(huán)境光以下按順序說明：1.漫反射(Diffuse)對(duì)于表面比較粗糙的物體，基本表面的明暗就是漫反射效果，比如褲子的材質(zhì)。某一個(gè)象素的明暗系數(shù)只取決于該點(diǎn)與光源的相對(duì)位置，而與眼睛的位置無關(guān)。diffuse_color = base_map * （ N * V_L ）* mat_diffuse * light_diffuse;上式中base_map代表該點(diǎn)的基礎(chǔ)顏色，一般通過紋理索引；N 是該點(diǎn)的法線；V_L是該點(diǎn)到光源方向的單位向量；N * V_L 即兩者的點(diǎn)積，注意需要用max( ( N * V_L ), 0 )，因?yàn)樨?fù)的值是沒有意義的；mat_diffuse和light_diffuse分別是材質(zhì)和光源的漫反射系數(shù)，用來宏觀調(diào)制漫反射的顏色。下圖是只有N * V_L 項(xiàng)的渲染結(jié)果：2.鏡面反射（Specular)盡管漫反射已經(jīng)可以很好地表達(dá)光照，但是由于它是與視點(diǎn)無關(guān)的，所以多少有些欠缺生動(dòng)，而鏡面反射是視點(diǎn)相關(guān)的，所以會(huì)隨著眼睛位置的變化而“流動(dòng)”。specular_color = pow( v_e * v_l, gloss ) * mat_specular * light_specular;這里解釋一下：v_e 是e_v的反射向量（v_e = reflect( e_v, n ) )，而e_v是眼睛到該點(diǎn)的單位向量，所謂反射向量，即以與該點(diǎn)的法線所垂直的平面做鏡面反射所得到的向量（雖然按照原理來說，應(yīng)該是光線反射，而非視線反射.都沒有問題吧）;v_l是該點(diǎn)到光源的單位向量；v_e * v_l 是兩者的點(diǎn)積, 同樣要用max（v_e * v_l， 0），負(fù)的值也是不需要的；pow是冪積，點(diǎn)積是底，gloss是指數(shù)；gloss用來調(diào)制亮斑的大小，一般來說，gloss越大，光斑越細(xì)小，gloss越小，光斑分布越寬泛。mat_specular,light_specular分別是材質(zhì)和光源的鏡面反射系數(shù)，用來宏觀調(diào)制鏡面反射的顏色。注意不是點(diǎn)乘，而是各項(xiàng)分別相乘,就是所謂的調(diào)制.下圖是只有鏡面反射系數(shù)的渲染結(jié)果：3.環(huán)境光（ambient）光照不到的地方是不是就是全黑的呢，對(duì)于受空氣散射影響比較大的環(huán)境來說不是的（比如說室外環(huán)境），這里只是簡(jiǎn)單的對(duì)base_map調(diào)制了一下：ambient_color = base_map * mat_amvient * light_ambient;4.累加(accumulate)最后就是將他們相加了：result_color = diffuse_color + specular_color + ambient_color;5.其他（1）在以上式中所使用的法線是由各頂點(diǎn)的法線插值得到的，我們可以使用法線貼圖來編碼各點(diǎn)的實(shí)際法線值，以獲得更細(xì)致的表面：這里是將一個(gè)法線的三維向量封裝入紋理的RGB分量，另外還涉及一個(gè)世界空間到紋理空間的轉(zhuǎn)換，這里不做描述，因?yàn)槲业膶?shí)際做法是錯(cuò)誤的，卻換來正確的結(jié)果，所以.我也不清楚啦.(2)使用一張單獨(dú)的圖來編碼各點(diǎn)的鏡面反射系數(shù),比如有油漆的地方反射較弱，而磨光的地方則反射較強(qiáng)烈（見盔甲部分）(3)以上效果都是利用光照產(chǎn)生的立體錯(cuò)覺，如果失去光照，立體感也將隨之消失。對(duì)于環(huán)境光，我們應(yīng)該有更好的處理方法，如利用虛擬的光源等等。我在該渲染中使用了兩盞燈，產(chǎn)生的效果還不錯(cuò)。(4)說到底，phong模型對(duì)金屬表面渲染很成功，但對(duì)人物表面渲染欠佳，所以才有SSS等等更為先進(jìn)的模型；但另一方面，Phong模型仍然是最基礎(chǔ)和重要的光照模型，當(dāng)初的固定流水線采用的就是它（當(dāng)然鏡面反射略有不同）先這些吧.接下來讓我們看看Phong模型：我們知道，在理想狀況下，鏡面反射后的光之集中在一條線上，因此我們的視線離這條線的距離越近，射入我們眼中的光線就越多，我們看到的光強(qiáng)也就越強(qiáng)。同時(shí)，鏡面反射也與物體表面的高光指數(shù)（物體表面光澤程度）有關(guān)，其數(shù)值越大，反射后的光線越集中，反之則越分散，這里可能會(huì)有人想：如果將高光指數(shù)設(shè)置的很大，也就是光線極其分散，Phong是否可以用來代替Lambert？我想答案肯定是不行的，原因是漫反射是將光線反射到各個(gè)角度，而鏡面反射即使反射光線再分散，它們依舊被限制在一個(gè)90度的區(qū)域中，因此與漫反射的效果是不一樣的。下面給出公式：I_spec = k_z * I_l(V R)n_s其中：k_z為表面材質(zhì)的鏡面反射系數(shù)，n_s是高光指數(shù)，V表示頂點(diǎn)到視點(diǎn)的向量，R表示反射光的單位向量。但是在實(shí)際的程序編寫中，我們一般都會(huì)更容易得到入射光線的單位向量L，所以我們最好轉(zhuǎn)換一下公式。設(shè)頂點(diǎn)的單位法向量為N，有公式：R + L = (2N L)N （這里再次提醒一下，L的方向是由頂點(diǎn)指向光源的）由這個(gè)可以推出：R = (2N L)N - L所以模型公式可以變?yōu)椋篒_spec = k_z * I_l(V (2N L)N - L)n_s下面是用Cg語言實(shí)現(xiàn)Phong模型的代碼：/*/*Phone鏡面光照模型，同時(shí)也加入了Lambert漫反射光照模型 */*/struct vertex_In float4 in_Position : POSITION; float4 in_Normal : NORMAL;struct vertex_Out float4 out_Position : POSITION; float4 out_Color : COLOR0;void main_v(vertex_In vertexI, out vertex_Out vertexO, uniform float4*4 modelViewProj, uniform float4*4 worldMatrix, uniform float4*4 worldMatrix_IT, uniform float3 globalAmbient, uniform float3 eyePosition, uniform float3 lightPosition, uniform float3 lightColor, uniform float3 K_d, uniform float3 K_s, uniform float N_s ) vertexO.out_Position = mul(modelViewProj , vertexI.in_Position);/計(jì)算輸出定點(diǎn)位置 float3 worldPosition = mul(worldMatrix , vertexI.in_Position).xyz;/計(jì)算定點(diǎn)世界位置 float3 N = normalize(mul(worldMatrix , vertexI.in_Normal).xyz);/計(jì)算定點(diǎn)法線向量 float3 V = normalize(eyePosition - worldPosition);/計(jì)算定點(diǎn)到視點(diǎn)的方向 float3 L = normalize(lightPosition - worldPosition);/計(jì)算入射光方向 float3 R = normalize(N*max(dot(2*N , L) , 0) - L);/計(jì)算反射光方向 float3 diffuseColor = K_d*globalAmbient + K_d*lightColor*max(dot(N , L) , 0);/計(jì)算漫反射光強(qiáng) float3 specularColor = K_s*lightColor*pow(max(dot(V , R) , 0) , N_s);/計(jì)算鏡面反射光強(qiáng) vertexO.out_Color.rgb = diffuseColor + specularColor; vertexO.out_Color.a = 1;以上代碼只使用了頂點(diǎn)著色程序，因此只對(duì)幾何頂點(diǎn)進(jìn)行渲染，而不對(duì)片段內(nèi)部的點(diǎn)進(jìn)行處理，因此如果用來渲染低精度模型效果會(huì)很不好，因此我們就要再加入片段著色程序。代碼如下：/*/*Phone鏡面光照模型，同時(shí)也加入了Lambert漫反射光照模型*/*/struct vertex_In float4 in_Position : POSITION; float4 in_Normal : NORMAL;struct vertex_Out float4 out_Position : POSITION; float4 out_objecPos : TEXCOORD0; float4 out_objectNormal : TEXCOORD1;void main_v(vertex_In vertexI, vertex_Out vertexO, uniform float4*4 modelViewProj )/頂點(diǎn)著色程序入口 vertexO.out_Position = mul(modelViewProj , vertexI.in_Position);/計(jì)算輸出定點(diǎn)位置 vertexO.out_objectPos = vertexI.in_Position; vertexO.out_objectNormal = vertexI.in_Normal;void main_f(vertex_Out vertexI, out float4 colorO : COLOR, uniform float4*4 worldMatrix, uniform float4*4 worldMatrix_IT, uniform float3 globalAmbient, uniform float3 eyePosition, uniform float3 lightPosition, uniform float3 lightColor, uniform float3 K_d, uniform float3 K_s, uniform float N_s )/片段著色程序入口 float3 worldPos = mul(worldMatrix , vertexI.out_objecPos).xyz;/計(jì)算定點(diǎn)世界位置 float3 N = normalize(mul(worldMatrix , vertexI.out_objectNormal).xyz);/計(jì)算定點(diǎn)法線向量 float3 V = normalize(eyePosition - worldPosition);/計(jì)算定點(diǎn)到視點(diǎn)的方向 float3 L = normalize(lightPosition - worldPosition);/計(jì)算入射光方向 float3 R = normalize(N*max(dot(2*N , L) , 0) - L);/計(jì)算反射光方向 float3 diffuseColor = K_d*globalAmbient + K_d*lightColor*max(dot(N , L) , 0);/計(jì)算漫反射光強(qiáng) float3 specularColor = K_s*lightColor*pow(max(dot(V , R) , 0) , N_s);/計(jì)算鏡面反射光強(qiáng) colorO.rgb = diffuseColor + specularColor; colorO.a = 1;這樣的話程序就會(huì)對(duì)片段中的點(diǎn)也進(jìn)行處理，渲染效果也會(huì)好一些。Phong著色法（Phong shading），是三維電腦圖像的繪圖技巧之一，結(jié)合了多邊形物體表面反射光的亮度，并以特定位置的表面法線作為像素參考值，以插值方式來估計(jì)其他位置像素的色值。這個(gè)方法由美國越南裔學(xué)者裴祥風(fēng)（Bi Tng Phong）發(fā)明，于1973年的博士論文首度發(fā)表。與Gouraud著色法比較，Phong著色法的效果比前者更逼真，但運(yùn)算程序也比前者為復(fù)雜。其原理要從光照和光線的反射講起。光線的反射有兩種極端情況，一種是漫反射，另一種是鏡面反射。取得這兩種反射情況的數(shù)學(xué)公式是不同的。此外，由于我們看到的許多物體表面并沒有受到光源的直接照射，而是受到在周圍環(huán)境中幾經(jīng)反射的光的照射，物體之間復(fù)雜的反射現(xiàn)象也需要以某種方式反映在著色模型里。由此還要引進(jìn)一種環(huán)境光，它照射到場(chǎng)景的所有表面，并被每一個(gè)表面均勻地向所有方向反射。Phong著色模型是將物體表面的光反射看成是環(huán)境光的反射之和與光源直接有關(guān)的漫反射及鏡面反射的組合。從數(shù)學(xué)上講就是將反射的總能量看做是光環(huán)境的強(qiáng)度，點(diǎn)光源的強(qiáng)度乘以三個(gè)不同的系數(shù)后相加的和。這三個(gè)系數(shù)分別是代表物體表面反射環(huán)境光、產(chǎn)生漫反射和產(chǎn)生鏡面反射的能力。為每一個(gè)要知道顏色的點(diǎn)計(jì)算顏色通常需要很高的代價(jià)。這在產(chǎn)生圖像的目的僅僅是瀏覽一下的情況下是沒必要的。為了解決這個(gè)問題，我們只是有選擇的在某些表面點(diǎn)上全面的使用模型公式，然后依靠顏色差值和表面法線向量差值等技術(shù)來為其表面點(diǎn)著色Phong著色法（Phongshading），是三維電腦圖像的繪圖技巧之一，結(jié)合了多邊形物體表面反射光的亮度，并以特定位置的表面法線作為像素參考值，以插值方式來估計(jì)其他位置像素的色值。這個(gè)方法由美國越南裔學(xué)者裴祥風(fēng)（BiTngPhong）發(fā)明，于1973年的哲學(xué)博士論文首度發(fā)表。與Gouraud著色法比較，Phong著色法的效果比前者更逼真，但運(yùn)算程序也比前者為復(fù)雜。其原理要從光照和光線的反射講起。光線的反射有兩種極端情況，一種是漫反射，另一種是鏡面反射。取得這兩種反射情況的數(shù)學(xué)公式是不同的。此外，由于我們看到的許多物體表面并沒有受到光源的直接照射，而是受到在周圍環(huán)境中幾經(jīng)反射的光的照射，物體之間復(fù)雜的反射現(xiàn)象也需要以某種方式反映在著色模型里。由此還要引進(jìn)一種環(huán)境光，它照射到場(chǎng)景的所有表面，并被每一個(gè)表面均勻地向所有方向反射。Phong著色模型是將物體表面的光反射看成是環(huán)境光的反射之和與光源直接有關(guān)的漫反射及鏡面反射的組合。從數(shù)學(xué)上講就是將反射的總能量看做是光環(huán)境的強(qiáng)度，點(diǎn)光源的強(qiáng)度乘以三個(gè)不同的系數(shù)后相加的和。這三個(gè)系數(shù)分別是代表物體表面反射環(huán)境光、產(chǎn)生漫反射和產(chǎn)生鏡面反射的能力。為每一個(gè)要知道顏色的點(diǎn)計(jì)算顏色通常需要很高的代價(jià)。這在產(chǎn)生圖像的目的僅僅是瀏覽一下的情況下是沒必要的。為了解決