鏡面反射分量

標(biāo)準(zhǔn)光照方程的鏡面反射分量指由光源直接經(jīng)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(jié)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(qiáng)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(shù)，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(jìn)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(guān)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(qiáng)度。強(qiáng)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(qiáng)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(shù)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?yàn)殓R面反射強(qiáng)度為0，對光照沒有任何貢獻(xiàn)。

如果觀察者離物體的距離遠(yuǎn)大于物體的尺寸，可以僅計(jì)算v一次，然后認(rèn)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(shí)對平行光源，l本身就是固定的。）但由于n是變化的，仍需計(jì)算r----這是一個應(yīng)該盡量避免的計(jì)算。Blinn模型通過計(jì)算一個稍微不同的角度來避免這個計(jì)算。如圖15.13所示：

Blinn模型使用h，表示v、l的中間量，由標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(shí)現(xiàn)，特別是當(dāng)光源與觀察者均遠(yuǎn)離物體時(shí)，此時(shí)h被視為常數(shù)僅需計(jì)算一次。我們忽略的一個細(xì)節(jié)是有時(shí)cosθ小于0，此時(shí)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(jī)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(diǎn)位置，因?yàn)樗旧砭褪请S機(jī)，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?yàn)槿肷溲劬Φ墓饩€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(yuǎn)些，但量一下，你就發(fā)覺實(shí)際情況了。）然而，注意右面的圖，其命中目標(biāo)時(shí)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(diǎn)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?yàn)榈厍蚴菆A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(qiáng)正比于法向量與光線夾角的余弦，用點(diǎn)乘計(jì)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(shù)人認(rèn)同的材料顏色。材質(zhì)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(diǎn)積出現(xiàn)負(fù)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(jīng)物體反射后進(jìn)入眼中的光線，但現(xiàn)實(shí)世界中，光線也經(jīng)常在經(jīng)歷多于一次的反射后進(jìn)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(zhì)和全局環(huán)境光，此時(shí)沒有涉及任何光源。下面的公式計(jì)算環(huán)境光：

m_amb為材質(zhì)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。