基于Phong光照模型的凹凸纹理模拟

　　0　前言

　　在计算机图形学中,如何使物体具有相片级别的真实感,一直是研究的一个重要方向。其中纹理映射技术可以实现对物体细节的描述。但是由于普通的颜色纹理技术实际上只考虑了物体表面的颜色纹理,即只能在光滑表面上描绘各种事先定义的花纹图案,不能表现由于表面的微观几何形状凹凸不平而呈现出来的粗糙质感[1]。

　　1978年, Blinn提出了一种无需修改表面几何模型,即能模拟表面凹凸不平效果的有效方法———几何(凹凸)纹理映射(Bump Mapping)技术[2]。几何(凹凸)纹理是指基于景物表面微观几何形状的表面纹理,如桔子、树干、岩石、山脉等表面呈现的凹凸不平的纹理细节。作者将具体介绍BumpMapping技术的原理以及基于Phong光照模型下球面凹凸纹理的实现方法和结果。

　　1　BumpMapping原理

　　若景物表面的参数方程为Q=Q (u, v), Qu, Qv(没有单位化)为表面上任一点在该点的偏导矢量,则表面上在任一点(u, v)的单位法向量为:

　　扰动函数P(u, v)可任意选择,可以是简单的网格图案、学符位映射、Z缓存图案以及随手描图案。若对一平面而言,所有点法向量相同,应用简单光照明模型后,所有点光亮度将保持一致。反之,若各个点的光亮度发生改变,就会给人以错觉,认为平面不再光滑,而呈现粗糙感。BumpMapping技术是以改变法向量,从而改变光亮度的一种映射技术。

　　2　Phong光照模型

　　光照到物体表面时,物体对光会发生反射(Re-flection)、透射(Transmission)、吸收(Absorption)[4]。简单光照模型只考虑物体对直接光照的反射作用,而物体间的光反射作用,只用环境光(AmbientLight)来表示。此时光源被假定为点光源,反射作用被细分为镜面反射(SpecularReflection)和漫反射(DiffuseReflection),其中最典型的模型就是Phong光照明模型。

　　(1)理想漫反射

　　当光源来自一个方向时,漫反射光均匀向各方向传播,与视点无关,它是由表面的粗糙不平引起的,因而漫反射光的空间分布是均匀的。记入射光强为Ip,物体表面上点P的法向为N,从点P指向光源的向量为L,当L、N为单位向量时,理想漫反射光强表示为:

　　(2)镜面反射光

　　对于理想镜面,反射光集中在一个方向,并遵守反射定律。对一般的光滑表面,反射光集中在一个范围内,且由反射定律决定的反射方向光强最大。因此,对于同一点来说,从不同位置所观察到的镜面反射光强是不同的。镜面反射光强可表示为:

　　向V与反射方向R的夹角, n为反射指数,反映了物体表面的光泽程度,一般为1~2 000,数目越大物体表面越光滑。镜面反射光将会在反射方向附近形成很亮的光斑,称为高光现象。