12 光照与着色之着色算法

在计算机图形学中，着色算法用于确定如何将颜色应用于光照模型生成的表面。有效的着色技术不仅可以增加图像的真实感，还可以提高视觉效果。本文将探讨几种重要的着色算法，提供背景知识及其实现方式，并与之前的阴影计算和后面的纹理映射相结合。

1. 着色的基本概念

在计算机图形学中，着色是一种将颜色分配给模型表面的过程。它通常基于物体的几何形状、光源的类型及其位置、以及视点的角度等因素。着色算法可分为以下几类：

• 顶点着色：颜色在顶点级别分配，然后通过插值转换到像素级别。
• 片元着色：直接在片元（每一个像素的候选）级别计算颜色值。
• 光照模型：描述光如何与物体表面相互作用的数学函数。

常见的光照模型包括环境光、漫反射和镜面反射。

2. 着色算法类型

2.1 Phong 着色模型

Phong 着色模型是一种基于光照模型的着色技术，结合了环境光、漫反射和镜面反射三种光的贡献。通过计算这些光的贡献来为表面赋予色彩。具体步骤如下：

1. 环境光：这是照亮场景的基础光源。其计算公式为：

   $$
   I_{ambient} = k_a \cdot I_a
   $$

   其中，$k_a$ 是环境光的反射系数，$I_a$ 是环境光的强度。

2. 漫反射：基于光源和表面法线之间的角度，计算漫反射光的贡献。公式为：

   $$
   I_{diffuse} = k_d \cdot I_d \cdot \max(0, \mathbf{L} \cdot \mathbf{N})
   $$

   其中，$k_d$ 是漫反射系数，$I_d$ 是光源强度，$\mathbf{L}$ 是从表面到光源的单位向量，$\mathbf{N}$ 是表面的单位法线。

3. 镜面反射：基于观察者和反射光线之间的角度，计算镜面反射。公式为：

   $$
   I_{specular} = k_s \cdot I_s \cdot \max(0, \mathbf{R} \cdot \mathbf{V})^{n}
   $$

   其中，$k_s$ 是镜面反射系数，$I_s$ 是光源强度，$\mathbf{R}$ 是反射光线的单位向量，$\mathbf{V}$ 是从表面到观察者的单位向量，$n$ 是光泽度系数。

最终颜色的计算为：

$$
I_{total} = I_{ambient} + I_{diffuse} + I_{specular}
$$

代码示例

以下是使用 Phong 着色模型的简单伪代码示例：

Vec3 ComputePhongShading(Vec3 lightPos, Vec3 viewPos, Vec3 normal, Vec3 ambientLight, Vec3 diffuseColor, Vec3 specularColor, float shininess) {
    // 计算环境光分量
    Vec3 ambient = ambientLight * ambientColor;

    // 计算光照方向
    Vec3 lightDir = normalize(lightPos - position);
    Vec3 viewDir = normalize(viewPos - position);
    
    // 计算漫反射分量
    float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    Vec3 diffuse = diffuseColor * diff;

    // 计算反射方向
    Vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    // 计算镜面反射分量
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), shininess);
    Vec3 specular = specularColor * spec;

    return ambient + diffuse + specular;
}

2.2 Gouraud 着色

Gouraud 着色是一种顶点着色方法，它在每个顶点上计算光照，并通过线性插值在三角形的表面上进行颜色计算。这种方法对于快速渲染非常有效，但在计算高光或细节时可能会产生失真。

2.3 Phong 着色

与 Gouraud 着色相对，Phong 着色在片元（或像素）级别上计算光照。通过插值得到每个像素的法线，从而更好地捕捉到光的高光和细节。这种方法一般计算量较大，但能产生更高质量的图像。

3. 总结

本文介绍了几种重要的着色算法，重点强调了 Phong 着色模型的构造、计算及其实现方式。在实际应用中，选择适当的着色算法取决于场景的需求和性能要求。

在下一篇教程中，我们将探讨“纹理映射”的定义与应用，包括纹理的基本概念及其在视觉效果中的作用，为整体画面增添更多细节和真实感。这种从光照到纹理的连续性为我们提供了构建更丰富视觉效果的基础。