OpenGL学习脚印：Blinn-Phong光照模型

写在前面
在前面基础光照部分，我们学习了Phong Shading模型，Blinn-Phong模型对Phong模型的镜面光成分进行了改进，虽然在物理上解释没有Phong好，但是能更好地模拟光照。本节代码可以在我的github下载。

本节内容整理自：
1.www.learnopengl.com
2.Blinn-Phong Model

Phong不能处理的情况

我们知道，Phong模型在计算镜面光系数为：

float   specFactor = pow(max(dot(reflectDir, viewDir), 0.0), 32); // 32为镜面高光系数

这里的计算由反射向量和观察向量决定，当两者的夹角 θ 超过90时，截断为0.0，则没有了镜面光成分。因此Phong模型能处理的是下面的左图中( θ≤90 )的情况，而对于右图中( θ>90 )的情况则镜面光成分计算为0(来自Advanced-Lighting)。

而右图的这种情况实际上是存在的，将镜面光成分取为0，没有很好地体现实际光照情况。例如下面的图表示的是，镜面光系数为1.0，法向量为(0.0,1.0,0.0)的平面位置在-0.5,光源在原点时，观察者在(0,0,4.0)位置时，光照展示的情形：

这里我们看到，Phong的镜面光成分，在边缘时立马变暗，这种对比太明显，不符合实际情形。

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为什么会产生这样一个光线明暗分明的情形? 我尝试这样推导，对此不感兴趣地可以跳过。

首先记表面位置为 fragPos=(x,−0.5,z) , 光源位置为 lightPos=(0.0,0.0,0.0) ，则光照向量为：

L=−(lightPos−fragPos)=(x,−0.5,z)(light direction)

法向量为：

N=(0.0,1.0,0.0)(surface normal)

根据 reflect函数的计算原理，得到反射向量为：

R=L−2.0∗dot(N,L)∗N=(x,−0.5,z)−2.0∗(−0.5)∗(0.0,1.0,0.0)=(x,0.5,z)(surface reflection)

设观察点位置为 (x′,y′,z′) ，则观察向量为：

V=(x′,y′,z′)−fragPos=(x′−x,y′+0.5,z′−z)(viewer direction)

那么反射向量和观察向量的点积为：

dot(R,V)=(xx′−x2+0.5y′+0.25+zz′−z2)=−[(x−x′2)2+(z−z′2)2−0.25(x′2+z′2+1+2y′)]

记 δ=0.25(x′2+z′2+1+2y′)

令 0≤dot(R,V)≤1 ,得到：

δ−1≤(x−x′2)2+(z−z′2)2≤δ
由此可以看出，位置在平面y=-0.5上的点，以适当位置观察时，会形成两个同心圆，在两个同心圆之间的部分则满足 0≤dot(R,V)≤1 ，这部分有镜面光，其余部分截断为0.0，立马变暗，因此有这种明暗对比。
也就是说当观察向量和反射向量超过90度，这种截断引起了明显的明暗对比，这种情形在Blinn-Phong中得到改善。

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Blinn-Phong

Blinn-Phong模型镜面光的计算，采用了半角向量(half-angle vector)，这个向量是光照向量L和观察向量V的取中向量，如下图所示(来自Blinn-Phong Model)：

计算为: H=L+V||L+V||

当观察向量与反射向量越接近，那么半角向量与法向量N越接近，观察者看到的镜面光成分越强。

对比Phong和Blinn-Phong计算镜面光系数为：

 vec3   viewDir = normalize(viewPos - fs_in.FragPos);
float   specFactor = 0.0;
if(blinn)  // 使用Blinn-Phong specular 模型
{
vec3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir);
specFactor = pow(max(dot(halfDir, normal), 0.0), 32.0); 
}
else    // 使用Phong specular模型
{
vec3    reflectDir = normalize(reflect(-lightDir, normal)); // 此时需要光线方向为由光源指出
specFactor = pow(max(dot(reflectDir, viewDir), 0.0), 8.0); 
}

使用半角向量后，保证了半角向量H与法向量N的夹角在90度范围内，能够处理上面对比图中右图所示的情形。下面是镜面高光系数为0.5时使用Blinn-Phong渲染效果：

下图是镜面高光系数为0.5时使用Phong渲染效果:

一般地，使用Blinn-Phong模型时要得到相同强度的镜面光，镜面系数需要为Phong模型的2-4倍，例如Phong模型的镜面高光系数设置为0.8，可以设置Blinn-Phong模型的系数为32.0。

关于Phong和Blinn-Phong模型更多地对比，可以参考Relationship between Phong and Blinn lighting model。