Unity光照模型之-Phong和Blinn-Phong光照模型

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Phong和Blinn-Phong光照模型

Phong和Blinn-Phong是计算镜面反射光的两种光照模型，两者仅仅有很小的不同之处。

1.Phong模型

公式为：

在Phong光照模型中，关键是对发射向量的计算（如下图R向量）

上图中的位于表面“下面”的向量 ‘I’ 是原始 ‘I’ 向量的拷贝，并且二者是一样的，现在我们的目标计算出向量 ‘R’ 。根据向量相加原则，向量 ‘R’ 等于 ‘I’ + ‘V’，‘I’ 是已知的，所以我们需要做的就是找出向量 ‘V’。注意法向量 ‘N’ 的负方向就是 ‘-N’，我们可以在 ‘I’ 和 ‘-N’ 之间使用一个点乘运算就能得到 ‘I’ 在 ‘-N’ 上面的投影的模。这个模正好是 ‘V’ 的模的一半，由于 ‘V’ 与 ‘N’ 有相同的方向，我们可以将这个模乘上 ‘N’ （其模为 1 ）再乘上 2 即可得到 ‘V’。总结一下就是下面的公式：

Unity中Shader代码如下：

Shader "Custom/Phong" { Properties { _LightDir("LightDir",Color) = (1,0,0) _LightColor("LightColor",Color) = (1,1,1) _Power("Power",Range(1,256)) = 1 _SpecularColor("SpecularColor",Color) = (1,1,1) _DiffuseColor("DiffuseColor",Color) = (1,1,1,1) } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 100 Pass { CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc" struct appdata { float4 vertex : POSITION; float3 normal:NORMAL; }; struct v2f { float4 vertex : SV_POSITION; float3 normal:NORMAL; float3 viewDir:TEXCOORD; }; float3 _LightColor; float3 _LightDir; float _Power; float3 _SpecularColor; float3 _DiffuseColor; v2f vert (appdata v) { v2f o; o.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; o.viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos)); return o; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { //反射光方向 _LightDir = normalize(_LightDir); float3 ReflectLightDir = normalize(2 * dot(i.normal,_LightDir) * i.normal -_LightDir); //ReflectLightDir = reflect(-_LightDir,i.normal); half reflectiveFactor = max(0.0,dot(ReflectLightDir,i.viewDir)); half specularFactor =pow(reflectiveFactor,_Power); half diffuseFactor = max(0.0, dot(i.normal, _LightDir)); fixed3 diffuse = (diffuseFactor * _DiffuseColor + specularFactor * _SpecularColor) * _LightColor; return fixed4(diffuse,1); } ENDCG } } } 

2.Blinn-Phong模型

Phong模型中计算反射光线的向量是一件相对比较耗时的任务，因此Blinn-Phong对这一点进行了改进。

Ks：物体对于反射光线的衰减系数

N：表面法向量

H：光入射方向L和视点方向V的中间向量

Shininess：高光系数

可见，通过该式计算镜面反射光是符合基本规律的，当视点方向和反射光线方向一致时，计算得到的H与N平行，dot(N,H)取得最大；当视点方向V偏离反射方向时，H也偏离N。

同时H的计算比起反射向量R的计算简单的多，R向量的计算需要若干次的向量乘法与加法，而H的计算仅仅需要一次加法。

Unity中Shader代码如下：

Shader "Custom/BlinnPhong" { Properties { _LightDir("LightDir",Color) = (1,0,0) _LightColor("LightColor",Color) = (1,1,1) _Power("Power",Range(1,256)) = 1 _SpecularColor("SpecularColor",Color) = (1,1,1) _DiffuseColor("DiffuseColor",Color) = (1,1,1,1) } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 100 Pass { CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc" struct appdata { float4 vertex : POSITION; float3 normal:NORMAL; }; struct v2f { float4 vertex : SV_POSITION; float3 normal:NORMAL; float3 viewDir:TEXCOORD; }; float3 _LightColor; float3 _LightDir; float _Power; float3 _SpecularColor; float3 _DiffuseColor; v2f vert (appdata v) { v2f o; o.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; o.viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos)); return o; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { //反射光方向 _LightDir = normalize(_LightDir); half3 h = normalize (_LightDir + i.viewDir); fixed diffFactor = max (0, dot (i.normal, _LightDir)); float nh = max (0, dot (i.normal, h)); float specularFactor = pow (nh, _Power); fixed3 diffuse = (diffFactor * _DiffuseColor + specularFactor * _SpecularColor) * _LightColor; return fixed4(diffuse,1); } ENDCG } } } 

Phong和BlinnPhong在_Power值为16时候的对比图如下：

(左侧为BlinnPhong右侧为Phong)

3.用途区别