ADS光照模型實例(GLSL實現)

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

公式概述

ADS光照模型又稱為「馮氏反射模型」(Phong reflection model)，為什麼叫馮氏：

裴祥風（Bùi T??ng Phong音譯, 1942年—1975年），美國電腦CG研究學者，于越南出生。他於1973年在尤他大學取得哲學博士學位，並發明了Phong反射模型及Phong著色法，並廣為CG界採用。1975死於白血病。

ADS光照模型公式縮寫：

LightIntensity = Ambient + Diffuse + Specular;

參數說明：

• Ambient 環境光
• Diffuse 漫反射
• Specular 全反射光 / 鏡面光

三個參數渲染效果示例：

三個參數拆解如下：

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

參數說明：

• La 環境光強度(Ambient light intensity)
• Ka 材質環境光反射率 / 材質環境光反射係數(Ambient reflectivity)
• Ld 漫射光強度 / 散射光強度(Diffuse light intensity)
• Kd 材質漫反射率 / 材質漫反射係數(Diffuse reflectivity)
• s 頂點 / 曲面點 到光源方向的單位向量(Direction from the surface point to the light source)
• n 頂點 / 曲面點 的法線單位向量(Normal vector at the surface point)
• Ls 鏡面光強度 / 全反射光強度(Specular light intensity)
• Ks 材質鏡面反射率 / 材質鏡面反射係數(Specular reflectivity)
• r 完全反射向量( the vector of perfect reflection)
• v 頂點 / 曲面點 到攝像機方向的向量( the vector towards the viewer)
• f 鏡面高光(specular highlights)，值範圍在1到200之間，值越小，鏡面亮點越大

光源出射強度 / 出射光強度(Intensity of the outgoing light )I的完整計算公式如下：

渲染實例

OpenGL API 版本為4.1。

假設不考慮環境光和鏡面光，只考慮漫射光，渲染效果：

shader 代碼：

diffuse.vert

#version 410layout (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 reflectivityuniform vec3 Ld; // Diffuse light intensityuniform mat4 ModelViewMatrix;uniform mat3 NormalMatrix;uniform mat4 ProjectionMatrix;uniform mat4 MVP;voidmain(){ 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 410in vec3 LightIntensity;layout( location = 0 ) out vec4 FragColor;void main() { FragColor = vec4(LightIntensity, 1.0);}

同時計算環境光、漫反射、鏡面反射的渲染效果：

shader 代碼：

#version 410layout (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 410in vec3 LightIntensity;layout( location = 0 ) out vec4 FragColor;void main() { FragColor = vec4(LightIntensity, 1.0);}

demo完整代碼：