Phong 照明模型

注意：此示例為 WIP，將使用圖表，影象，更多示例等進行更新。

什麼是 Phong？

Phong 是一個非常基本，但看起來很真實的表面光模型，有三個部分：環境光，漫反射光和鏡面光。

環境照明：

環境照明是理解和計算的三個部分中最簡單的。環境照明是一種充滿場景的光線，可以在各個方向均勻地照亮物體。

環境照明中的兩個變數是環境強度和環境顏色。在片段著色器中，以下內容適用於環境：

in vec3 objColor;

out vec3 finalColor;

uniform vec3 lightColor;

void main() {
   float ambientStrength = 0.3f;
   vec3 ambient = lightColor * ambientStrength;
   finalColor = ambient * objColor;
}

漫射照明：

漫射照明比環境光稍微複雜一些。漫射光是定向光，基本上意味著面向光源的面將被更好地照亮，並且由於光如何擊中它們而指向的面將變暗。

注意：漫反射光照需要使用每個面的法線，我不會在這裡展示如何計算。如果你想學習如何操作，請檢視 3D 數學頁面。

為了模擬計算機圖形中光的反射，使用雙向反射分佈函式（BRDF）。BRDF 是一種函式，它給出了沿出射方向反射的光與從入射方向入射的光之間的關係。

完美的漫反射表面具有 BRDF，其對於所有入射和出射方向具有相同的值。這大大減少了計算，因此它通常用於模擬漫射表面，因為它在物理上是合理的，即使在現實世界中沒有純粹的漫射材料。這種 BRDF 被稱為朗伯反射，因為它符合蘭伯特的餘弦定律。

朗伯反射通常用作漫反射的模型。該技術使得所有閉合多邊形（例如 3D 網格內的三角形）在渲染時在所有方向上均勻地反射光。根據法向量和光向量之間的角度計算擴散係數。

f_Lambertian = max( 0.0, dot( N, L )

其中 N 是表面的法向量，L 是朝向光源的向量。

這個怎麼運作

通常，2 個向量的點積等於 2 個向量之間的角度的餘弦乘以兩個向量的幅度（長度）。

dot( A, B ) == length( A ) * length( B ) * cos( angle_A_B ) 

由此得出，2 個單位向量的點積等於 2 個向量之間角度的餘弦，因為單位向量的長度是 1。

uA = normalize( A )
uB = normalize( B )
cos( angle_A_B ) == dot( uA, uB )

如果我們看一下角度 -90°和 90°之間的 cos(x) 函式，那麼我們可以看到它在 0°的角度下最大為 1，在 90°的角度下它下降到 0 和 -90°。

這種行為正是我們想要的反射模型。當表面的光動量和光源的方向是相同的方向（角度在 0°之間）時，我們想要一個最大的反射。相反，如果向量是正交歸一化的（其間的角度是 90°），那麼我們想要最小的反射，並且我們希望在 0°和 90°的兩個邊界之間平滑且連續的功能執行。

如果每個頂點計算光，則計算基元的每個角的反射。在基元之間，反射根據其重心座標進行插值。在球面上看到產生的反射：

好的，所以從片段著色器開始，我們需要四個輸入。

• 頂點法線（應該在緩衝區中並由頂點屬性指標指定）
• 片段位置（應從頂點著色器輸出到 frag 著色器）
• 光源位置（均勻）
• 淺色（均勻）

in vec3 normal;
in vec3 fragPos;
    
out vec3 finalColor;
    
uniform vec3 lightColor;
uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 objColor;

主要內部是我們需要做數學的地方。漫射照明的整個概念基於法線方向和光線方向之間的角度。角度越大，直到 90°的光線越少，根本沒有光線。

在我們開始計算光量之前，我們需要光方向向量。這可以通過簡單地從片段位置減去光位置來檢索，該片段位置從指向片段位置的光位置返回向量。

vec3 lightDir = lightPos-fragPos;

此外，繼續並規範化 normal 和 lightDir 向量，使它們的長度相同。

normal  = normalize(normal);
lightDir = normalize(lightDir);

現在我們有了向量，我們可以計算它們之間的差異。為此，我們將使用點積函式。基本上，這需要 2 個向量並返回形成的角度的 cos()。這是完美的，因為在 90 度它將產生 0 並且在 0 度它將產生 1.結果，當光直接指向物體時它將完全點亮，反之亦然。

float diff = dot(normal, lightDir);

我們還需要對計算的數字做一件事，我們需要確保它總是正面的。如果你考慮一下，負數在上下文中沒有意義，因為這意味著光在臉後面。我們可以使用 if 語句，或者我們可以使用 max() 函式返回最多兩個輸入。

diff = max(diff, 0.0);

完成後，我們現在可以計算片段的最終輸出顏色。

vec3 diffuse = diff * lightColor;
finalColor = diffuse * objColor;

它應該如下所示：

高光照明：

在進展中工作，稍後再回來檢視。

綜合

正在進行中，請稍後再回來檢視。

下面的程式碼和影象顯示了這三個照明概念的組合。