OpenGL学习脚印:Blinn-Phong光照模型



写在前面
在前面基础光照部分,我们学习了Phong Shading模型,Blinn-Phong模型对Phong模型的镜面光成分进行了改进,虽然在物理上解释没有Phong好,但是能更好地模拟光照。本节代码可以在我的github下载

本节内容整理自:
1.www.learnopengl.com
2.Blinn-Phong Model

Phong不能处理的情况

我们知道,Phong模型在计算镜面光系数为:

float   specFactor = pow(max(dot(reflectDir, viewDir), 0.0), 32); // 32为镜面高光系数

这里的计算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,则没有了镜面光成分。因此Phong模型能处理的是下面的左图中(

θ90
)的情况,而对于右图中(

θ>90
)的情况则镜面光成分计算为0(来自Advanced-Lighting)。
这里写图片描述

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。例如下面的图表示的是,镜面光系数为1.0,法向量为(0.0,1.0,0.0)的平面位置在-0.5,光源在原点时,观察者在(0,0,4.0)位置时,光照展示的情形:

phong模型的边缘问题

这里我们看到,Phong的镜面光成分,在边缘时立马变暗,这种对比太明显,不符合实际情形。


为什么会产生这样一个光线明暗分明的情形? 我尝试这样推导,对此不感兴趣地可以跳过。

首先记表面位置为

fragPos=(x,0.5,z)
, 光源位置为

lightPos=(0.0,0.0,0.0)
,则光照向量为:



L=(lightPosfragPos)=(x,0.5,z)(light direction)

法向量为:




N=(0.0,1.0,0.0)(surface normal)

根据
reflect函数的计算原理,得到反射向量为:




R=L2.0dot(N,L)N=(x,0.5,z)2.0(0.5)(0.0,1.0,0.0)=(x,0.5,z)(surface reflection)

设观察点位置为

(x,y,z)
,则观察向量为:



V=(x,y,z)fragPos=(xx,y+0.5,zz)(viewer direction)

那么反射向量和观察向量的点积为:



dot(R,V)=(xxx2+0.5y+0.25+zzz2)=[(xx2)2+(zz2)20.25(x2+z2+1+2y)]





δ=0.25(x2+z2+1+2y)



0dot(R,V)1
,得到:



δ1(xx2)2+(zz2)2δ

由此可以看出,位置在平面y=-0.5上的点,以适当位置观察时,会形成两个同心圆,在两个同心圆之间的部分则满足

0dot(R,V)1
,这部分有镜面光,其余部分截断为0.0,立马变暗,因此有这种明暗对比。
也就是说当观察向量和反射向量超过90度,这种截断引起了明显的明暗对比,这种情形在Blinn-Phong中得到改善。


Blinn-Phong

Blinn-Phong模型镜面光的计算,采用了半角向量(half-angle vector),这个向量是光照向量L和观察向量V的取中向量,如下图所示(来自Blinn-Phong Model):

半角向量

计算为:

H=L+V||L+V||

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。

对比Phong和Blinn-Phong计算镜面光系数为:

 vec3   viewDir = normalize(viewPos - fs_in.FragPos);
float   specFactor = 0.0;
if(blinn)  // 使用Blinn-Phong specular 模型
{
vec3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir);
specFactor = pow(max(dot(halfDir, normal), 0.0), 32.0); 
}
else    // 使用Phong specular模型
{
vec3    reflectDir = normalize(reflect(-lightDir, normal)); // 此时需要光线方向为由光源指出
specFactor = pow(max(dot(reflectDir, viewDir), 0.0), 8.0); 
}

使用半角向量后,保证了半角向量H与法向量N的夹角在90度范围内,能够处理上面对比图中右图所示的情形。下面是镜面高光系数为0.5时使用Blinn-Phong渲染效果:

Blinn-Phong

下图是镜面高光系数为0.5时使用Phong渲染效果:

Phong

一般地,使用Blinn-Phong模型时要得到相同强度的镜面光,镜面系数需要为Phong模型的2-4倍,例如Phong模型的镜面高光系数设置为0.8,可以设置Blinn-Phong模型的系数为32.0。

关于Phong和Blinn-Phong模型更多地对比,可以参考Relationship between Phong and Blinn lighting model