Phong 照明模型

注意：此示例为 WIP，将使用图表，图像，更多示例等进行更新。

什么是 Phong？

Phong 是一个非常基本，但看起来很真实的表面光模型，有三个部分：环境光，漫反射光和镜面光。

环境照明：

环境照明是理解和计算的三个部分中最简单的。环境照明是一种充满场景的光线，可以在各个方向均匀地照亮物体。

环境照明中的两个变量是环境强度和环境颜色。在片段着色器中，以下内容适用于环境：

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：

漫射照明比环境光稍微复杂一些。漫射光是定向光，基本上意味着面向光源的面将被更好地照亮，并且由于光如何击中它们而指向的面将变暗。

注意：漫反射光照需要使用每个面的法线，我不会在这里展示如何计算。如果你想学习如何操作，请查看 3D 数学页面。

为了模拟计算机图形中光的反射，使用双向反射分布函数（BRDF）。BRDF 是一种函数，它给出了沿出射方向反射的光与从入射方向入射的光之间的关系。

完美的漫反射表面具有 BRDF，其对于所有入射和出射方向具有相同的值。这大大减少了计算，因此它通常用于模拟漫射表面，因为它在物理上是合理的，即使在现实世界中没有纯粹的漫射材料。这种 BRDF 被称为朗伯反射，因为它符合兰伯特的余弦定律。

朗伯反射通常用作漫反射的模型。该技术使得所有闭合多边形（例如 3D 网格内的三角形）在渲染时在所有方向上均匀地反射光。根据法向量和光矢量之间的角度计算扩散系数。

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。

这个怎么运作

通常，2 个矢量的点积等于 2 个矢量之间的角度的余弦乘以两个矢量的幅度（长度）。

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

由此得出，2 个单位矢量的点积等于 2 个矢量之间角度的余弦，因为单位矢量的长度是 1。

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

如果我们看一下角度 -90°和 90°之间的 cos(x) 函数，那么我们可以看到它在 0°的角度下最大为 1，在 90°的角度下它下降到 0 和 -90°。

这种行为正是我们想要的反射模型。当表面的光动量和光源的方向是相同的方向（角度在 0°之间）时，我们想要一个最大的反射。相反，如果矢量是正交归一化的（其间的角度是 90°），那么我们想要最小的反射，并且我们希望在 0°和 90°的两个边界之间平滑且连续的功能运行。

如果每个顶点计算光，则计算基元的每个角的反射。在基元之间，反射根据其重心坐标进行插值。在球面上看到产生的反射：

好的，所以从片段着色器开始，我们需要四个输入。

• 顶点法线（应该在缓冲区中并由顶点属性指针指定）
• 片段位置（应从顶点着色器输出到 frag 着色器）
• 光源位置（均匀）
• 浅色（均匀）

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

主要内部是我们需要做数学的地方。漫射照明的整个概念基于法线方向和光线方向之间的角度。角度越大，直到 90°的光线越少，根本没有光线。

在我们开始计算光量之前，我们需要光方向矢量。这可以通过简单地从片段位置减去光位置来检索，该片段位置从指向片段位置的光位置返回矢量。

vec3 lightDir = lightPos-fragPos;

此外，继续并规范化 normal 和 lightDir 向量，使它们的长度相同。

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

现在我们有了向量，我们可以计算它们之间的差异。为此，我们将使用点积函数。基本上，这需要 2 个向量并返回形成的角度的 cos()。这是完美的，因为在 90 度它将产生 0 并且在 0 度它将产生 1.结果，当光直接指向物体时它将完全点亮，反之亦然。

float diff = dot(normal, lightDir);

我们还需要对计算的数字做一件事，我们需要确保它总是正面的。如果你考虑一下，负数在上下文中没有意义，因为这意味着光在脸后面。我们可以使用 if 语句，或者我们可以使用 max() 函数返回最多两个输入。

diff = max(diff, 0.0);

完成后，我们现在可以计算片段的最终输出颜色。

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

它应该如下所示：

高光照明：

在进展中工作，稍后再回来查看。

综合

正在进行中，请稍后再回来查看。

下面的代码和图像显示了这三个照明概念的组合。