简单光照模型(Phong和Blinn-Phong)和明暗处理
支持点光源和平行光，是一种简单光照模型，它将光照分解成了三个部分，分别为
- 漫反射
- 镜面反射
- 环境光
如图所示，是一个简单的几何模型。
- (L)是光源方向
- (N)是法线方向
- (R)是反射方向
- (V)是视线方向
- (H)是(L)和(V)的平分
- 所有向量都是单位向量
理想漫反射
当光源来自一个方向时，漫反射均匀地向各个方向传播，与视点无关，是由物体表面粗糙不平引起的，漫反射的空间分布是均匀的，也就是说不论从哪个方向看去，同一个点的漫反射光强都是一样的。物体上的点(P)，法向量为(N)，入射光强度为(I_p)，(L)为(P)指向光源的方向。如果所有所有的向量都是单位向量，那么有
其中(K_d=(K_{dr},K_{dg},K_{db}))这三个分量分别是RGB三原色的漫反射系数，可以反应物体的颜色。同样的(I_p=(I_r,I_g,I_b))可以通过分量来设置光源的颜色。
镜面反射
对于理想镜面，反射光集中在一个方向，并遵守反射定律。对于一般的光滑表面，反射光则集中在一个范围内，且反射定律决定的方向光强最大。所以从不同位置观察到的镜面反射光强不同。镜面反射光可表示为
(R cdot V)计算的是反射方向和视线方向的夹角，夹角越小，强度越大。(n)是反射指数，反应了物体的表面的光滑程度，一般1-2000。(n)越大约光滑，因为n越大，例如2000，那么当夹角很小时，例如很接近1，如0.9，但是经过2000乘方，就变得很小了，这意味着只有无限接近反射方向，才能看到高光，其他方向不行，这就表示物体很光滑。反过来，(n)很小那么移动一点角度，也能看到衰弱的高光，所以光斑会比较明显。
在镜面反射模型中，最终要的是计算R的方向，(R)可以通过入射方向和法线方向计算出来
因为这里的向量都是单位向量，只有方向不一致
高光区域只反映光源的颜色，漫反射才能设定物体的颜色。
环境光
光源间接对物体施加的明暗影响，在物体和环境之间多次反射。在简单光照模型中进行了简化，通常用一个常数来模拟环境光
(I_a)是环境光强，(K_a)为物体对环境光的反射系数。
Phong模型
Phong模型是上述三种因素的叠加，其中(R)的计算比较费时，需要对每一点计算一次(R)的值。
Blinn-Phong模型
由于Phong模型计算较为耗时，后来提出了一种对Phong模型的修改，Blinn-Phong模型。
假设:
- 光源在无穷远处，光线的方向L为常数（这就意味着，对物体上所有点来说，光线的方向都是一致的，正常情况应该是光源到点的向量，每个点的光照方向都不一致）
- 视点在无穷远处，视线的防线V为常数（这个同理）
- 此模型针对高光部分进行了修改，(Rcdot V)的计算用(Hcdot N)近似，其中(H=(L+V)/||L+V||)，也就是(L)和(V)的平分向量。当(V)接近(R)的时候，(H)也接近(N)，符号高光的规律。对于所有点，(H)只需计算一次。
所以Blinn-Phong模型的可以表示成：
（图片中应该采用了明暗处理，不仅是光照模型）
明暗处理
如今的物体大多数用多边形表示，一个多边形的法线方向一致，因此一个多边形内部的像素相同，而在邻接出可能会有突变，感觉不连续。为了让过度平滑，基本思想是：对多边形的顶点计算合适的光强度，在内部进行均匀插值。其中有两种主要的做法：
- 计算物体表面多边形顶点的光强，然后插值，求多边形内部光强。
- 对内部点的法向量进行插值，而顶点的法向量用相邻多边形的法向量的平均值得到。
Gouraud明暗处理（双线性光强插值）
基本算法
- 计算多边形顶点的平均法向量
- 用Phong模型计算顶点的平均强度
- 插值计算离散边上的各点光强
- 插值计算多边形区域内的各点光强
计算速度比简单光照模型有了很大的提高，解决了颜色突变问题，但是镜面反射效果不理想。
Phong明暗处理（双线性法向量插值）
和Gouraud方法基本类似，只不过是对法向量插值。多边形顶点的法向量用相邻多边形的法向量的平均值。而内部每个点都要计算法向量，用顶点的法向量插值得到。
这种做法效果好，可以产生正确的高光，但是计算量很大。
- [1]维基百科
- [2]计算机图形学基础教程 胡事民