Phong光照模型

Phong 光照模型

Phong 光照模型是计算机图形学中一种广泛使用的光照模型，用于模拟物体表面与光的相互作用，从而产生逼真的视觉效果。它以 Bui Tuong Phong 于 1975 年提出的算法命名，并迅速成为三维图形渲染的标准方法。与早期的光照模型（如 Gouraud 着色）相比，Phong 光照模型能够生成更平滑、更逼真的高光效果，尤其是在曲面细节丰富的物体上。

历史背景

在 Phong 模型之前，Gouraud 着色是常用的光照模型。Gouraud 着色对每个多边形进行插值，计算顶点处的颜色，然后对多边形内部的像素进行线性插值。虽然速度快，但它容易产生明显的面状效果，尤其是在光线角度变化时，高光区域会沿着多边形边缘移动，不够自然。

Phong 模型通过在每个像素处计算光照，而不是在顶点处，解决了这个问题。这种方法计算量更大，但能够生成更精确的光照效果，从而产生更逼真的图像。

光照模型的组成部分

Phong 光照模型主要由三个组成部分构成：

环境光 (Ambient Light)：模拟全局照明，代表所有方向的光线的贡献。它不依赖于光源和物体表面的相对位置，而是提供一个基础的亮度。
漫反射光 (Diffuse Reflection)：模拟光线在物体表面均匀散射的效果。它依赖于光源方向和表面法线，决定了物体受光的程度。
镜面反射光 (Specular Reflection)：模拟光线在物体表面产生的镜面反射，形成高光。它也依赖于光源方向、表面法线和观察者方向，决定了高光的强度和位置。

环境光计算

环境光是最简单的光照分量，它使用一个常数值，表示环境光的强度。计算公式如下：

环境光强度 = 环境光颜色 × 环境光系数

其中：

环境光颜色：表示环境光的颜色。
环境光系数：表示物体对环境光的反射能力。

漫反射光计算

漫反射光是物体对光线的散射效果，其强度与光源方向和表面法线之间的夹角有关。计算公式如下：

漫反射光强度 = 漫反射颜色 × 光源颜色 × max(0, N · L)

其中：

漫反射颜色：表示物体表面的漫反射颜色。
光源颜色：表示光源的颜色。
N：表示表面法向量，是一个单位向量，垂直于物体表面。
L：表示从物体表面到光源的单位向量。
N · L：表示 N 和 L 的点积，结果是一个标量，表示光源方向与表面法线之间的夹角的余弦值。如果 N 和 L 的夹角大于 90 度，则点积为负数，此时漫反射光强度为 0，表示物体背对光源。

表面法线的计算对于漫反射光计算至关重要。

镜面反射光计算

镜面反射光是物体对光线的镜面反射效果，形成高光。它的计算比漫反射光更复杂，需要考虑观察者方向。计算公式如下：

镜面反射光强度 = 镜面颜色 × 光源颜色 × spec ^ shininess × max(0, R · V)

其中：

镜面颜色：表示物体表面的镜面反射颜色。
光源颜色：表示光源的颜色。
spec：表示镜面反射系数，控制高光的强度。
shininess：表示高光的大小和锐度，值越大，高光越小越锐利。
R：表示反射向量，是光线在表面反射后的方向。
V：表示从物体表面到观察者的单位向量。
R · V：表示 R 和 V 的点积，结果是一个标量，表示反射光线方向与观察者方向之间的夹角的余弦值。如果 R 和 V 的夹角大于 90 度，则点积为负数，此时镜面反射光强度为 0，表示观察者看不到高光。

计算反射向量 R 的公式如下：

R = 2(N · L)N - L