GPU实现“Blinn

摘抄“GPU Programming And Cg Language Primer 1rd Edition” 中文 名“GPU编程与CG语言之阳春白雪下里巴人”

 

 

9.4 Blinn-Phong 光照模型

Blinn-Phong 光照模型，又称为 Blinn-phong 反射模型（ Blinn–Phong reflection model ）或者 phong 修正模型（ modified Phong reflection model ），是由 Jim Blinn 于 1977 年在文章 “Models of light reflection for computer synthesized pictures ” 中对传统 phong 光照模型基础上进行修改提出的。和传统 phong 光照模型相比， Blinn-phong 光照模型混合了 Lambert 的漫射部分和标准的高光 ，渲染效果有时比 Phong 高光更柔和、更平滑，此外它在速度上相当快，因此成为许多 CG 软件中的默认光照渲染方法。此外它也集成在了大多数图形芯片中，用以产生实时快速的渲染。 在 OpenG L 和 Direct3D 渲染管线中， Blinn-Phong 就是默认的渲染模型。

phong 光照模型中，必须计算 的V和R的点积的值值，其中 R为反射光线方向单位向量， V为视线方向单位向量，但是在 Blinn-phong 光照模型中，用N dot H 的值取代了V dot R 。 Blinn-phong 光照模型公式为：

                    

其中 N是入射点的单位法向量， H是“光入射方向L 和视点方向V 的中间向量”，通常也称之为半角向量。 注意：半角向量被广泛用于各类光照模型，原因不但在于半角向量蕴含的信息价值，也在于计算半角向量是一件简单、耗时不多的工作。

                                 

通常情况下，使用 Blinn-phong 光照模型渲染的效果和 phong 模型渲染的效果没有太大的区别，有些艺术工作者认为 phong 光照模型比 blinn-phong 更加真实，实际上也是如此。 Blinn-phong 渲染效果要更加柔和一些， Blinn-phong 光照模型 省去了计算反射光线方向向量的两个乘法运算，速度更快。由于 Blinn-phong 和 phong 模型的唯一区别一个使用半角向量，一个使用反射光方向向量，所以下面只给出 Blinn-phong 模型的片段着色程序代码。

代码 7 Blinn-phong 模型片段着色程序

 

void main_f(VertexScreen posIn,

            out float4 color     : COLOR,

              uniform float4x4 worldMatrix,

              uniform float4x4 worldMatrix_IT,

              uniform float3 globalAmbient,

              uniform float3 eyePosition,

              uniform float3 lightPosition,

              uniform float3 lightColor,           

              uniform float3 Kd,

              uniform float3 Ks,

              uniform float  shininess)

{

   float3 worldPos = mul(worldMatrix, posIn.objectPos).xyz;

   float3 N = mul(worldMatrix_IT, posIn.objectNormal).xyz;

   N = normalize(N);

 

   // 计算入射光方向 / 视线方向 / 半角向量

   float3 L = normalize(lightPosition - worldPos);

   float3 V = normalize(eyePosition - worldPos);

   float3 H = normalize(L + V);

 

   // 计算漫反射分量

  float3 diffuseColor = Kd * globalAmbient+Kd*lightColor*max(dot(N, L), 0);

 

  // 计算镜面反射分量

  float3 specularColor = Ks * lightColor*pow(max(dot(N, H), 0), shininess);

 

  color.xyz = diffuseColor + specularColor;

  color.w = 1;

}

 

Blinn-phong 光照模型的渲染效果如：

图形截屏，加上文档大小的限制，好像导致 图 19 和 图 20 不能形成明显的对比。实际上，我在实现算法时认真对比过， phong 光照模型确实要比 blinn-phong 渲染效果要真实。与 phong 光照模型相比，使用 blinn-phong 进行光照渲染，在同样的高光系数下，高光领域覆盖范围较大，明暗界限不明显。