[Shading]ADS光照模型实例(OpenGL实现)

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keywords：ambient diffuse specular、Phong Shading、Phong reflection model

公式概述

ADS光照模型又称为“冯氏反射模型”(Phong reflection model)，为什么叫冯氏：

ADS光照模型公式缩写：

LightIntensity = Ambient + Diffuse + Specular;

参数说明：

• Ambient 环境光
• Diffuse 漫反射
• Specular 全反射光 / 镜面光

三个参数渲染效果示例：

三个参数拆解如下：

Ambient = La * Ka;
Diffuse = Ld * Kd * max( dot(s, n), 0.0 );
Specular = Ls * Ks * pow( max( dot(r, v), 0.0 ), f );

参数说明：

• La 环境光强度(Ambient light intensity)
• Ka 材质环境光反射率 / 材质环境光反射系数(Ambient reflectivity)
• Ld 漫射光强度 / 散射光强度(Diffuse light intensity)
• Kd 材质漫反射率 / 材质漫反射系数(Diffuse reflectivity)
• s 顶点 / 曲面点 到光源方向的单位向量(Direction from the surface point to the light source)
• n 顶点 / 曲面点 的法线单位向量(Normal vector at the surface point)
• Ls 镜面光强度 / 全反射光强度(Specular light intensity)
• Ks 材质镜面反射率 / 材质镜面反射系数(Specular reflectivity)
• r 完全反射向量( the vector of perfect reflection)
• v 顶点 / 曲面点 到摄像机方向的向量( the vector towards the viewer)
• f 镜面高光(specular highlights)，值范围在1到200之间，值越小，镜面亮点越大

光源出射强度 / 出射光强度(Intensity of the outgoing light ) I 的完整计算公式如下：

$$ I = La \cdot Ka+Ld \cdot Kd \cdot \left(\vec{s} \cdot \vec{n}\right)+Ls \cdot Ks \cdot \left(\vec{r} \cdot \vec{v}\right)^f $$

渲染实例

OpenGL API 版本为4.1。

假设不考虑环境光和镜面光，只考虑漫射光，渲染效果：

shader 代码：
diffuse.vert

#version 410

layout (location = 0) in vec3 VertexPosition;
layout (location = 1) in vec3 VertexNormal;

out vec3 LightIntensity;

uniform vec4 LightPosition; // Light position in eye coords.
uniform vec3 Kd;            // Diffuse reflectivity
uniform vec3 Ld;            // Diffuse light intensity

uniform mat4 ModelViewMatrix;
uniform mat3 NormalMatrix;
uniform mat4 ProjectionMatrix;
uniform mat4 MVP;

void main()
{
    vec3 tnorm = normalize( NormalMatrix * VertexNormal);
    vec4 eyeCoords = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition,1.0);
    vec3 s = normalize(vec3(LightPosition - eyeCoords));

    LightIntensity = Ld * Kd * max( dot( s, tnorm ), 0.0 );

    gl_Position = MVP * vec4(VertexPosition,1.0);
}

diffuse.frag

#version 410

in vec3 LightIntensity;

layout( location = 0 ) out vec4 FragColor;

void main() {
    FragColor = vec4(LightIntensity, 1.0);
}

同时计算环境光、漫反射、镜面反射的渲染效果：

shader 代码：
phong.vert

#version 410

layout (location = 0) in vec3 VertexPosition;
layout (location = 1) in vec3 VertexNormal;

out vec3 LightIntensity;

struct LightInfo {
  vec4 Position; // Light position in eye coords.
  vec3 La;       // Ambient light intensity
  vec3 Ld;       // Diffuse light intensity
  vec3 Ls;       // Specular light intensity
};
uniform LightInfo Light;

struct MaterialInfo {
  vec3 Ka;            // Ambient reflectivity
  vec3 Kd;            // Diffuse reflectivity
  vec3 Ks;            // Specular reflectivity
  float Shininess;    // Specular shininess factor
};
uniform MaterialInfo Material;

uniform mat4 ModelViewMatrix;
uniform mat3 NormalMatrix;
uniform mat4 ProjectionMatrix;
uniform mat4 MVP;

void main()
{
    vec3 tnorm = normalize( NormalMatrix * VertexNormal);
    vec4 eyeCoords = ModelViewMatrix * vec4(VertexPosition,1.0);
    vec3 s = normalize(vec3(Light.Position - eyeCoords));
    vec3 v = normalize(-eyeCoords.xyz);
    vec3 r = reflect( -s, tnorm );
    float sDotN = max( dot(s,tnorm), 0.0 );
    vec3 ambient = Light.La * Material.Ka;
    vec3 diffuse = Light.Ld * Material.Kd * sDotN;
    vec3 spec = vec3(0.0);
    if( sDotN > 0.0 )
       spec = Light.Ls * Material.Ks *
              pow( max( dot(r,v), 0.0 ), Material.Shininess );

    LightIntensity = ambient + diffuse + spec;
    gl_Position = MVP * vec4(VertexPosition,1.0);
}

phong.frag

#version 410

in vec3 LightIntensity;

layout( location = 0 ) out vec4 FragColor;

void main() {
    FragColor = vec4(LightIntensity, 1.0);
}

demo完整代码：ADS Reflection - github

参考书籍：
OpenGL 4.0 Shading Language Cookbook

在各种事物的常理中，爱情是无法改变和阻挡的，因为就本性而言，爱只会自行消亡，任何计谋都难以使它逆转。---意大利·薄伽丘《十日谈》