华科图形学笔记-照明模型

Phong模型

环境光
光线在场景中经过复杂的传播后，形成了弥漫于整个空间的光线，称为环境光。

• 特点
  照射在物体上的光来自周围各个方向，又均匀地向各个 方向反射。

• 近似表示
  $I_e=I_a\ast K_a$
  $I_a为环境光强度，K_a为物体对环境光的反射系数$

理想漫反射(Diffuse Reflection )
当光线辐射到一个粗糙的、无光泽的表面上时，光线沿各个方向都作相同的反射，从任何角度看这种表面都有相同的亮度。
用lambert余弦定理可以算出强度值，就是入射光强度 漫反射系数 点光源方向与平面法向夹角三者乘积

可以看到漫反射的特点，只与入射角有关，与视点无关。
如果把L和N规格化为单位矢量，则$cos\theta =L\cdot N$就得到$$I_d=I_p{K}_d\ast (L\cdot N)$$

可能又多个点光源，由于漫反射光强只跟入射光有关，将这几个点光源的漫反射光强计算出来直接相加就好了。

镜面反射(Specular Reflection)
镜面反射遵循反射定律。反射光位于表面法矢两侧。

• 对于理想的高光泽度反射面，反射角等于入射角时，光线才会被反射。
• 非理想的反射面，只要其表面是光滑的，在点光源的照射下，也会产生一块特别亮的区域，称为高光点

总之可以看到，不同于漫反射，镜面反射的效果和观察者所在位置非常相关了。

综合
Phong模型就是将环境光、理想漫反射光强、镜面反射光强相加。

Phong模型的实现

近似计算


近似之后高光区域会变大，通过修改n的值来修正。

多个光源：

光的衰减
在同一光源的照射下，距光源较近的景色看起来会亮一些，而距光源较远的景物看起来会暗一些。衰减因子如果用1/d^2效果不好，因为变化太快。用下面这个函数

在漫反射和镜面反射公式中分别加入这个衰减函数。

选择颜色模型
如果选择rgb模型，可以将环境光，漫反射光和镜面反射光都分解为r g b三个分量。光强和反射系数都可以分解为这三个分量

按三个分量就可以分别计算三次

基于Phong模型模拟平行光，点光源和聚光灯效果：
平行光：不加衰减因子
点光源：保留衰减因子
聚光灯：光锥的内圆锥和外圆锥

全局光照

又称GI（Global Illumination）或Indirect Illumination间接光照。考虑场景中来自光源以及经过其他物体反射后的光照。因此 全局光照=直接光照+间接光照
间接光照有透射光和反射光两种，涉及到透射光就要用whitted光投射模型了。

要加上投射光和反射光两个部分，


光照模型的发展阶段如下

全局光照不同的实现流派

光线追踪算法

定义：追踪光线路径，然后模拟光线与虚拟对象相互作用的方式。

主要思想：从视点向成像平面上的像素发射光线，找到与该光线相交的最近物体的交点。
如果该点处的表面是漫反射表面，则计算光源直接照射该点产生的颜色。
如果该点处表面是镜面或折射面，则继续向反射或折射方向跟踪另一条光线。

如此递归下去，直到达到结束条件（光线与光源相交、逃逸或者达到设定的最大递归深度）

存在的问题
1）表面属性单一：完全看不见折射光？完全没有镜面反射？
2）漫反射作为了结束条件
改进
通过模型的修正来缓解这两个问题
改进后的算法变为：从视点发出一条光线，光线与物体表面相交时根据表面的材质属性继续采样一个方向。（由于表面的多样性可能有多个采样方向）
新的问题：计算量很大
可能的解决方法：蒙特卡洛方法 得到的就是路径追踪算法