Модель отражения Блинна – Фонга - Blinn–Phong reflection model

В Модель отражения Блинна – Фонга, также называемый модифицированная модель отражения Фонга, это модификация, разработанная Джим Блинн к Модель отражения Фонга.^[1]

Блинн – Фонг - модель затенения по умолчанию, используемая в OpenGL и Direct3D конвейера фиксированных функций (до Direct3D 10 и OpenGL 3.1) и выполняется на каждой вершине, когда она проходит вниз графический конвейер; пиксель значения между вершинами интерполируются Затенение по Гуро по умолчанию, а не более затратный с точки зрения вычислений Затенение по Фонгу.^[2]

Описание

Векторы для расчета затенения Фонга и Блинна – Фонга

При затенении Фонга необходимо постоянно пересчитывать скалярное произведение ${displaystyle Rcdot V}$ между зрителем (V) и луч от источника света (L) отраженный (р) на поверхности.

Если вместо этого вычислить на полпути вектор между зрителем и векторами источника света,

{displaystyle H = {frac {L + V} {left | L + Vight |}}}

${displaystyle Rcdot V}$ можно заменить на ${displaystyle Ncdot H}$ , куда ${displaystyle N}$ это нормализованный поверхность нормальная. В приведенном выше уравнении ${displaystyle L}$ и ${displaystyle V}$ оба нормализованные векторы, и ${displaystyle H}$ является решением уравнения ${displaystyle V = P_ {H} (- L),}$ куда ${displaystyle P_ {H}}$ это Матрица домовладельцев который отражает точку на гиперплоскости, которая содержит начало координат и имеет нормаль ${displaystyle H.}$

Этот скалярный продукт представляет собой косинус угла, который составляет половину угла, представленного скалярным произведением Фонга, если V, L, N и р все лежат в одной плоскости. Это соотношение между углами остается приблизительно верным, когда векторы не лежат в одной плоскости, особенно когда углы малы. Угол между N и ЧАС поэтому иногда его называют половинным углом.

Учитывая, что угол между вектором на полпути и нормалью к поверхности, вероятно, будет меньше, чем угол между р и V используется в модели Фонга (если поверхность не рассматривается под очень крутым углом, для которого она, вероятно, будет больше), и поскольку Фонг использует ${displaystyle left (Rcdot Vight) ^ {alpha},}$ ан показатель степени можно установить ${displaystyle alpha ^ {prime}> alpha}$ такой, что ${displaystyle left (Ncdot Hight) ^ {alpha ^ {prime}}}$ ближе к прежнему выражению.

Для поверхностей с фронтальным освещением (зеркальные отражения на поверхностях, обращенных к зрителю), ${displaystyle alpha ^ {prime} = 4, alpha}$ приведет к появлению зеркальных бликов, которые очень точно соответствуют соответствующим отражениям Фонга. Однако, в то время как отражения Фонга всегда круглые для плоской поверхности, отражения Блинна – Фонга становятся эллиптическими, если смотреть на поверхность под крутым углом. Это можно сравнить со случаем, когда солнце отражается в море близко к горизонту или когда далекий уличный фонарь отражается от мокрого тротуара, где отражение всегда будет намного более протяженным по вертикали, чем по горизонтали.^[3]

Кроме того, хотя его можно рассматривать как приближение к модели Фонга, он дает более точные модели эмпирически определенных функции распределения двунаправленной отражательной способности чем Фонг для многих типов поверхностей.^[4]

Эффективность

Блинн-Фонг будет быстрее, чем Фонг, в случае, когда зритель и свет рассматриваются как очень удаленные, например, приближающиеся или находящиеся в бесконечности. Это относится к направленным источникам света и ортогональным / изометрическим камерам. В этом случае вектор середины пути не зависит от положения и кривизны поверхности просто потому, что вектор середины пути зависит от направления к позиции зрителя и направления к позиции источника света, которые индивидуально сходятся на этом удаленном расстоянии, следовательно, можно думать как константа в этом случае. ${displaystyle H}$ следовательно, их можно вычислить один раз для каждого источника света, а затем использовать для всего кадра или, действительно, пока свет и точка обзора остаются в одном и том же относительном положении. То же самое нельзя сказать о методе Фонга с использованием вектора отражения, который зависит от кривизны поверхности и должен быть пересчитан для каждого пикселя изображения (или для каждой вершины модели в случае вершинного освещения). В 3D-сценах с перспективными камерами такая оптимизация невозможна.

Примеры кода

Пример кода языка высокоуровневого затенения

Этот образец в Язык затенения высокого уровня это метод определения рассеянного и зеркального света от точечного источника света. Световая структура, положение в пространстве поверхности, вектор направления взгляда и нормаль к поверхности пропускаются. Структура освещения возвращается;

Ниже также необходимо обнулить некоторые скалярные произведения в случае отрицательных ответов. Без этого свет, уходящий от камеры, обрабатывается так же, как и свет, направляющийся к ней. Для расчета зеркального отражения неправильный «ореол» света, отражающегося от краев объекта и от камеры, может казаться таким же ярким, как и свет, непосредственно отражающийся в камеру.

структура Освещение{    float3 Размытый;    float3 Зеркальный;};структура PointLight{	float3 позиция;	float3 diffuseColor;	плавать  diffusePower;	float3 specularColor;	плавать  specularPower;};Освещение GetPointLight(PointLight свет, float3 pos3D, float3 viewDir, float3 нормальный){	Освещение ИЗ;	если (свет.diffusePower > 0)	{		float3 lightDir = свет.позиция - pos3D; // 3D положение в пространстве поверхности		плавать расстояние = длина(lightDir);		lightDir = lightDir / расстояние; // = normalize (lightDir);		расстояние = расстояние * расстояние; // Эту строку можно оптимизировать с помощью метода вычисления обратного квадратного корня		// Интенсивность рассеянного света. Насыщайте, чтобы не выходить за пределы диапазона 0-1.		плавать NdotL = точка(нормальный, lightDir);		плавать интенсивность = насыщать(NdotL);		// Рассчитываем коэффициент рассеянного света с учетом цвета света, мощности и затухания		ИЗ.Размытый = интенсивность * свет.diffuseColor * свет.diffusePower / расстояние;		// Вычислить половину вектора между вектором света и вектором обзора.		// Обычно это медленнее, чем вычисление фактического вектора отражения		// из-за обратного квадратного корня функции нормализации		float3 ЧАС = нормализовать(lightDir + viewDir);		// Интенсивность зеркального света		плавать NdotH = точка(нормальный, ЧАС);		интенсивность = пау(насыщать(NdotH), specularHardness);		// Суммируем факторинг зеркального света		ИЗ.Зеркальный = интенсивность * свет.specularColor * свет.specularPower / расстояние; 	}	возвращаться ИЗ;}

Пример кода OpenGL Shading Language

Этот образец в Язык шейдинга OpenGL состоит из двух файлов кода, или шейдеры. Первый - это так называемый вершинный шейдер и реализует Затенение по Фонгу, который используется для интерполяции нормали к поверхности между вершинами. Второй шейдер - это так называемый фрагментный шейдер и реализует модель затенения Блинна-Фонга для определения рассеянного и зеркального света от точечного источника света.

Вершинный шейдер

Этот вершинный шейдер реализует Затенение по Фонгу:

атрибут vec3 inputPosition;атрибут vec2 inputTexCoord;атрибут vec3 inputNormal;униформа mat4 проекция, просмотр модели, нормальный мат;различный vec3 normalInterp;различный vec3 vertPos;пустота главный() {    gl_Position = проекция * просмотр модели * vec4(inputPosition, 1.0);    vec4 vertPos4 = просмотр модели * vec4(inputPosition, 1.0);    vertPos = vec3(vertPos4) / vertPos4.ш;    normalInterp = vec3(нормальный мат * vec4(inputNormal, 0.0));}

Фрагментный шейдер

Этот фрагментный шейдер реализует модель затенения Блинна – Фонга.^[5] и гамма-коррекция:

точность mediump плавать;в vec3 normalInterp;в vec3 vertPos;униформа int Режим;const vec3 lightPos = vec3(1.0, 1.0, 1.0);const vec3 светлый цвет = vec3(1.0, 1.0, 1.0);const плавать lightPower = 40.0;const vec3 ambientColor = vec3(0.1, 0.0, 0.0);const vec3 diffuseColor = vec3(0.5, 0.0, 0.0);const vec3 specColor = vec3(1.0, 1.0, 1.0);const плавать сияние = 16.0;const плавать screenGamma = 2.2; // Предположим, что монитор откалиброван для цветового пространства sRGBпустота главный() {  vec3 нормальный = нормализовать(normalInterp);  vec3 lightDir = lightPos - vertPos;  плавать расстояние = длина(lightDir);  расстояние = расстояние * расстояние;  lightDir = нормализовать(lightDir);  плавать ламбертианский = Максимум(точка(lightDir, нормальный), 0.0);  плавать зеркальный = 0.0;  если (ламбертианский > 0.0) {    vec3 viewDir = нормализовать(-vertPos);    // это блинн фонг    vec3 halfDir = нормализовать(lightDir + viewDir);    плавать specAngle = Максимум(точка(halfDir, нормальный), 0.0);    зеркальный = пау(specAngle, сияние);           // это фонг (для сравнения)    если (Режим == 2) {      vec3 отражатьDir = отражать(-lightDir, нормальный);      specAngle = Максимум(точка(отражатьDir, viewDir), 0.0);      // обратите внимание, что показатель здесь другой      зеркальный = пау(specAngle, сияние/4.0);    }  }  vec3 colorLinear = ambientColor +                     diffuseColor * ламбертианский * светлый цвет * lightPower / расстояние +                     specColor * зеркальный * светлый цвет * lightPower / расстояние;  // применяем гамма-коррекцию (предположим, что ambientColor, diffuseColor и specColor  // линеаризованы, т.е. в них нет гамма-коррекции)  vec3 colorGammaCorrected = пау(colorLinear, vec3(1.0 / screenGamma));  // использовать во фрагменте цвет с гамма-коррекцией  gl_FragColor = vec4(colorGammaCorrected, 1.0);}

Цвета ambientColor, diffuseColor и specColor не должны быть гамма исправлена. Если это цвета, полученные из файлов изображений с гамма-коррекцией (JPEG, PNG и т. д.) их необходимо линеаризовать перед работой с ними, которая осуществляется масштабированием значений каналов до диапазона $[0, 1]$ и повышая их до значения гаммы изображения, которое для изображений в sRGB можно предположить, что цветовое пространство составляет около 2,2 (даже если для этого конкретного цветового пространства простое соотношение мощности является лишь приближением фактического трансформация ). Современная графика API иметь возможность автоматически выполнять эту гамма-коррекцию при выборке из текстура или написать в кадровый буфер.^[6]

Смотрите также

Список распространенных алгоритмов затенения
Модель отражения Фонга для соответствующей модели Фонга
Гамма-коррекция
Зеркальное отражение