鏡面反射分量

標準光照方程的鏡面反射分量指由光源直接經物體表面反射入眼睛的光線，如圖 15.10:

n為表面法向量

v指向觀察者

l指向光源，對方向光源，l為定值

r為鏡像向量，即l對n鏡像之結果

θ為r和v的夾角，由r.v給出，描述鏡像的方向性。

鏡面反射使物體看上去有光澤，粗糙表面因反射率不高，所以缺乏此類效果。鏡面反射的強度取決于物體、光源和觀察者。

所有向量均為單位向量，如圖15.11所示，r由2(n.l)n - l給出。

下列等式給出鏡面反射的Phong模型：

m_gls為材料的光澤度，也稱作Phong指數，它控制亮斑的范圍，小的m_gls帶來大而平滑的光斑，大的m_gls帶來小而亮的光斑。完全的反射面，如玻璃，有非常大的m_gls----只有反射光進入眼睛，不完全光反射面，如蘋果的表面，有較大的亮斑。

另一個有關亮度的值為m_spec，即材料的反射顏色，對整個材料來說一般是一個不變的灰度值。m_gls控制光斑的大小，m_spec控制光斑的強度。強反射面有大的m_spec值，粗糙些的表面則有較小的m_spec值。如果你愿意，可用一個光澤圖控制物體的反射，如同紋理控制物體顏色一樣。

s_spec是光源的鏡面反射顏色，控制光本身的色彩與強度。對于方形聚光燈，此值可能來自投影光照面。s_spec常等于光的漫反射顏色s_diff。

圖15.12顯示了m_gls和m_spec如何影響物體的鏡面反射。圖中，m_spec從最左列到最右列由黑至白變化，而指數m_gls在上方第一行最大，向下遞減。注意到，最左面一列的頭像看上去一樣，因為鏡面反射強度為0，對光照沒有任何貢獻。

如果觀察者離物體的距離遠大于物體的尺寸，可以僅計算v一次，然后認為它對整個物體是一個常量，同樣道理對光源和l也適用。（其實對平行光源，l本身就是固定的。）但由于n是變化的，仍需計算r----這是一個應該盡量避免的計算。Blinn模型通過計算一個稍微不同的角度來避免這個計算。如圖15.13所示：

Blinn模型使用h，表示v、l的中間量，由標準化v、l的平均值求得：

h = (v + l) / ||v + l||

公式15.9   Blinn模型中間向量h的計算

Blinn模型和Phong模型一樣，只不過θ表示n與h的夾角：

此方程便于硬件的實現，特別是當光源與觀察者均遠離物體時，此時h被視為常數僅需計算一次。我們忽略的一個細節(jié)是有時cosθ小于0，此時簡單地令鏡面反射為0即可。

漫反射分量

與鏡面反射類似，漫反射分量也刻畫直接照射物體的光線。漫反射反映的是散開的隨機方向上的反射，這是由物體表面的粗糙引起的，相反鏡面反射則反映良好的反射。圖15.14比較了良好反射表面和粗糙表面。

漫反射不依賴于視點位置，因為它本身就是隨機，光源與物體的相對位置反而顯得更重要。例如：若假定光線射入眼睛的幾率一定，則由于垂直于光線的面在單位面積受光多于一個斜射的面，因為入射眼睛的光線更多，如圖15.15所示：

注意上述兩種情況中，光線間的垂直距離都相等。（由于錯覺，右邊的也許顯得遠些，但量一下，你就發(fā)覺實際情況了。）然而，注意右面的圖，其命中目標時分得更開些，那么單位面積接受的光線將少些。從圖上的示點線可看出左邊受光9個單位，而右邊只有6個單位，盡管二者面積一樣。這正是赤道氣候比兩極暖和的原因，因為地球是圓的，太陽光在赤道有較直接的照射。

漫反射光服從Lambert法則：反射光強正比于法向量與光線夾角的余弦，用點乘計算余弦，如下：

n為表面法向量，l為指向光源的單位向量，m_diff為材料的散射色，即多數人認同的材料顏色。材質多來自紋理圖，s_diff為光源散射色，一般和光源鏡面色s_spec一致。與鏡面反射類似，這里也要防止點積出現負值，免得物體從背后透光。

環(huán)境光分量

鏡面反射和漫反射都是刻畫光源經物體反射后進入眼中的光線，但現實世界中，光線也經常在經歷多于一次的反射后進入眼睛。好比你在黑暗的廚房打開冰箱，整個房間都會變得亮些，盡管箱門（或你的身體）擋住了大部分直線光。

描述這類反射，我們可用環(huán)境光，環(huán)境光取決于材質和全局環(huán)境光，此時沒有涉及任何光源。下面的公式計算環(huán)境光：

m_amb為材質的環(huán)境光分量，它總是等于漫反射分量----由紋理圖定義，g_amb為整個場景的環(huán)境光值。