图形学理论 光照模型

 

光照模型

 

1. Lambert模型

　　理想漫反射模型，各个方向一样。

2.Phong（1975）[1]

                       

 

　　经验模型，R和V的夹角决定镜面高光的强度。

 

3.Blinn-Phong（1977）[2]

 

 

 

　　引入了半角向量的概念，对Phong模型进行了改进，镜面高光由n和h的夹角决定。

 

4. Cook-Torrance 模型（1982）[3]

 

　　用模型模拟了金属和塑料材质，考虑到了入射角变化时发生的颜色偏移。

　　基本反射模型：

 

　　其中环境光和漫反射分量不依赖于观察者的位置。

 

　　假设表面是由微面元组成的，镜面分量写为：　　加入了：几何项G、Fresnel项、粗糙度项D.

　　粗糙度项D：代表了可以有效反射光的那一部分微面元所占的比例。

　　有多种分布函数：

　　高斯分布模型：

　　Beckmann分布函数：

 

　　几何项G：几何衰减项，表现了微小面元之间的互相遮挡（shadowing and masking）所造成的影响。

 

　　Fresnel项F:描述了在每一个微面元上光是如何反射。与入射角和波长相关。

 

 

　　通过垂直入射时的公式，可以解出折射率n，然后再将得到的n代入原来的公式即可得到其他各个角度下的F。

　　这个过程可以对不同的波长重复多次，以获得反射的方向和光谱分布。

 

　　几点理论：当入射角接近90°的时候，F接近于1，反射光的颜色接近于光源的颜色。颜色偏移在入射角接近90°变得很重要。可以用查找表简化计算。

　　镜面反射的颜色通常是材料的颜色而不是光源的颜色。

　　塑料使用白色的镜面高光，漫反射成分大而镜面反射成分小。这种物体的漫反射颜色和镜面反射颜色通常不同。

　　金属的反射一般发生在表面，漫反射分量很小，有时甚至可以忽略。粗糙度的值m也很小。

 

5．Kajiya各向异性反射模型（1985） [4]

　　根据电磁波理论推导出来的模型，反映了各向异性表面的反射和折射。

 

6.Oren-Nayar 模型（1994）[5]

　　提出对于体反射来说，lambertian的模型不能正确体现其效果。

　　本模型主要对粗糙表面的物体建模，比如石膏、沙土、陶瓷还有布。

　　用了一系列的lambert微面元，考虑了微小面元之间的相互遮挡（shadowing and masking）和互相反射照明。

 

7.Minnaert 漫反射模型（Marcel Minnaert 1941）

　　丝绒 反射公式

 

8.Ward 反射模型

　　各向同性。

　　各项异性。

 

9.Schlick反射模型

　　简化了Phong模型的指数运算。

 

10. Xiao D. He模型（1991）[6]

　　一个非常复杂的综合物理模型。

　　但仍然是一个反射模型。

　　基于物理光学，描述了表面的镜面反射、有方向的漫反射、均匀漫反射。

　　反射光依赖于波长、入射角、两个表面粗糙度系数、表面折射率。

　　可以应用到金属、非金属、塑料（光滑、粗糙）。

 

 

 

1.             Phong, B.T., Illumination for computer generated pictures 1975.

2.             Blinn, J.F., Models of light reflection for computer synthesized pictures 1977.

3.             Cook, R.L. and K.E. Torrance, A Reflectance Model for Computer Graphics 1982.

4.             Kajiya, J.T., Anisotropic reflection models 1985: p. 15 - 21

5.             Oren, P. and P.K. Nayar, Generalization of Lambert’s Reflectance Model. 1994: p. 239 - 246

6.             He, X.D., et al., A comprehensive physical model for light reflection 1991: p. 175 - 186