Phong和Blinn-Phong光照模型

Phong和Blinn-Phong是计算镜面反射光的两种光照模型，两者仅仅有很小的不同之处。

1.Phong模型

Phone模型计算中的一个关键步骤就是反射向量R的计算：

上图中的位于表面“下面”的向量 ‘I’ 是原始 ‘I’ 向量的拷贝，并且二者是一样的，现在我们的目标计算出向量 ‘R’ 。根据向量相加原则，向量 ‘R’ 等于 'I' + 'V'，‘I’ 是已知的，所以我们需要做的就是找出向量 ‘V’。注意法向量 ‘N’ 的负方向就是 ‘-N’，我们可以在 ‘I’ 和 ‘-N’ 之间使用一个点乘运算就能得到 ‘I’ 在 ‘-N’ 上面的投影的模。这个模正好是 ‘V’ 的模的一半，由于 ‘V’ 与 ‘N’ 有相同的方向，我们可以将这个模乘上 ‘N’ （其模为 1 ）再乘上 2 即可得到 ‘V’。总结一下就是下面的公式：

2.Blinn-Phong模型

Phong模型中计算反射光线的向量是一件相对比较耗时的任务，因此Blinn-Phong对这一点进行了改进。

Ks：物体对于反射光线的衰减系数

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

可见，通过该式计算镜面反射光是符合基本规律的，当视点方向和反射光线方向一致时，计算得到的H与N平行，dot(N,H)取得最大；当视点方向V偏离反射方向时，H也偏离N。

同时H的计算比起反射向量R的计算简单的多，R向量的计算需要若干次的向量乘法与加法，而H的计算仅仅需要一次加法。

下面是用cg着色语言书写的Phong和Blinn-Phong的顶点和片段着色程序

Phong_FragmentLighting_v.cg

 struct V2F{
     float4 position:POSITION;
     float3 worldPosition: TEXCOORD0;
     float3 worldNormal :TEXCOORD1;
 };
 void Phong_FragmentLighting_v(float4 position :POSITION,
                               float4 normal:NORMAL,
                               uniform float4x4 modelMatrix,
                               uniform float4x4 modelMatrix_IT,
                               uniform float4x4 modelViewProj,
                               out V2F O){
     O.position=mul(modelViewProj,position);
     O.worldPosition=mul(modelMatrix,position).xyz;
     O.worldNormal=normalize(mul(modelMatrix_IT,normal)).xyz;
 }

Phong_FragmentLighting_f.cg

 void Phong_FragmentLighting_f(float3 position :TEXCOORD0,
                                float3 normal: TEXCOORD1,
                                uniform float3 globalAmbient,
                                uniform float3 lightColor,
                                uniform float3 lightPosition,
                                uniform float3 eyePosition,
                                uniform float3 Ke,
                                uniform float3 Ka,
                                uniform float3 Kd,
                                uniform float3 Ks,
                                uniform float  shininess,
                                out float4 color:COLOR)
               {
                   float3 N=normalize(normal);
                   float3 L=normalize(lightPosition-position);
                   float3 V=normalize(eyePosition-position);

                   float3 R=reflect(-L,N);
                   R=normalize(R);

                   // Compute emissive term
                   float3 emissive = Ke;

                  // Compute ambient term
                  float3 ambient = Ka * globalAmbient;

                 // Compute the diffuse term
                 float diffuseLight = max(dot(N, L), );
                 float3 diffuse = Kd * lightColor * diffuseLight;

                 // Compute the specular term
                 float specularLight = pow(max(dot(V, R), ), shininess);
                 if (diffuseLight <= ) specularLight = ;
                 float3 specular = Ks * lightColor * specularLight;

                 //color.xyz = emissive + ambient + diffuse + specular;
                 color.xyz=ambient + diffuse + specular;
                 color.w = ;
               }

BlinnPhong_FragmentLighting_v.cg

 struct V2F{
     float4 position:POSITION;
     float3 worldPosition: TEXCOORD0;
     float3 worldNormal :TEXCOORD1;
 };
 void BlinnPhong_FragmentLighting_v(float4 position :POSITION,
                               float4 normal:NORMAL,
                               uniform float4x4 modelMatrix,
                               uniform float4x4 modelMatrix_IT,
                               uniform float4x4 modelViewProj,
                               out V2F O){
     O.position=mul(modelViewProj,position);
     O.worldPosition=mul(modelMatrix,position).xyz;
     O.worldNormal=normalize(mul(modelMatrix_IT,normal)).xyz;
 }

BlinnPhong_FragmentLighting_f.cg

 void BlinnPhong_FragmentLighting_f(float3 position :TEXCOORD0,
                                float3 normal: TEXCOORD1,
                                uniform float3 globalAmbient,
                                uniform float3 lightColor,
                                uniform float3 lightPosition,
                                uniform float3 eyePosition,
                                uniform float3 Ke,
                                uniform float3 Ka,
                                uniform float3 Kd,
                                uniform float3 Ks,
                                uniform float  shininess,
                                out float4 color:COLOR)
               {
                   float3 N=normalize(normal);
                   float3 L=normalize(lightPosition-position);
                   float3 V=normalize(eyePosition-position);

                  float3 H=normalize(L+V);

                   // Compute emissive term
                   float3 emissive = Ke;

                  // Compute ambient term
                  float3 ambient = Ka * globalAmbient;

                 // Compute the diffuse term
                 float diffuseLight = max(dot(N, L), );
                 float3 diffuse = Kd * lightColor * diffuseLight;

                 // Compute the specular term
                 float specularLight = pow(max(dot(H, N), ), shininess);
                 if (diffuseLight <= ) specularLight = ;
                 float3 specular = Ks * lightColor * specularLight;

                 color.xyz=ambient + diffuse + specular;
                 color.w = ;
               }

效果对比：


Phong光照模型

Blinn-Phong光照模型

通过简单的对比发现，在相同条件下Blinn-Phong的高光范围要比Phong更大，写实效果Phong光照模型更好。但算法简单，运行速度快是Blinn-Phong光照模型的优点。