Blinn-Phong 光照模型中的 Half Vector：提升真实感的新视角

在计算机图形学中，Blinn-Phong 光照模型是实现逼真光照效果的行业标准。其关键组成部分之一是 Half Vector（半途向量或半角向量），它引入了对表面粗糙度的动态表示，从而提升了模型的真实感。

Phong 光照模型的局限性

Phong 光照模型是一种局部照明模型，通过计算光源、表面法线和观察者方向之间的夹角来确定表面的亮度。然而，Phong 模型存在局限性，因为它不能充分模拟表面粗糙度的影响。

Half Vector 的引入

Blinn-Phong 模型通过引入 Half Vector 来解决此问题。Half Vector 是光源方向和观察者方向之间的归一化向量。它表示了光线反射到观察者的中间方向。

Half Vector 的作用

Half Vector 主要有以下作用：

• 模拟表面粗糙度： 粗糙表面反射光线往往更分散，而光滑表面则更集中。Half Vector 通过衡量光线反射和观察者方向之间的夹角，可以模拟这种分散效果。
• 增强高光： 当 Half Vector 与表面法线对齐时，光线将直接反射到观察者眼中，从而产生强烈的高光。Half Vector 使模型能够更准确地模拟这种高光效果。
• 减少噪点： Phong 模型在低分辨率时可能产生噪点，尤其是在粗糙表面上。Half Vector 可以通过平滑光照计算来减少这种噪点。

Half Vector 的计算

Half Vector 可以使用以下公式计算：

H = (L + V) / ||L + V||

其中：

• H 是 Half Vector
• L 是光源方向
• V 是观察者方向

Half Vector 在 Blinn-Phong 模型中的应用

Half Vector 在 Blinn-Phong 模型中用于计算镜面反射分量。镜面反射分量表示光线从表面上完美反射到观察者眼中的部分。计算公式如下：

F_r = (N * H)^n

其中：

• F_r 是镜面反射分量
• N 是表面法线
• n 是镜面反射指数

镜面反射指数越大，高光越集中。Half Vector 通过动态调节 N * H 的值，实现了表面粗糙度的模拟。

结论

Half Vector 是 Blinn-Phong 光照模型的关键组成部分。它通过模拟表面粗糙度、增强高光和减少噪点，提升了模型的真实感。理解 Half Vector 的作用对于创建逼真且引人入胜的计算机图形非常重要。