摘抄“GPU Programming And Cg Language Primer 1rd Edition” 中文 名“GPU编程与CG语言之阳春白雪下里巴人”
BRDF 光照模型
10.2.1 什么是 BRDF 光照模型
Wi表示光线入射方向， Wo表示光线出射方向（入射点到视点），则该情况下的 表示：光线以Wi 方向入射，然后以 Wo方向出射的概率，或者光强。
10.2.2 什么是各向异性
各向异性 (anisotropy) 与 均向性相反，是指在不同方向具有不同行为的性质，也就是其行为与方向有关。如在物理学上，沿着材料做不同方向的量测，若会出现不同行为，通常称该材料具有某种 “ 各向异性 ” ，这样的材料表面称为各向异性表面（ anisotropic surface ）；
特殊的晶体结构会导致各向异性，材质表面上存在有组织的细小凹凸槽也会导致各向异性。各向异性反射是指：各向异性表面反射光的一种现象。在生活中我们经常见到各向异性光照效果，例如光滑的炊具上的扇面光斑（ 图 24 所示）。
由于材质有组织的细微凹凸结构的不同，各向异性也分为基本的三种类型（如 图 25 所示）：
1. 线性各向异性；
2. 径向各向异性；
3. 圆柱形各向异性，实际上线性各向异性，单被映像为圆柱形。
10.3 Bank BRDF 经验模型
Bank BRDF 属于经验模型，由于其计算简单，且效果良好，所以该模型在各向异性光照效果的模拟方面非常有用。 Bank BRDF 的镜面反射部分可以表达为公式 （ 10-14 ）的 形式：
Ks、 ns分别表示镜面反射系数和高光系数； L表示入射光线方向、V 表示实现观察方向、 T表示该点的切向量。尤其要注意切向量的计算方法，因为一个三维空间点可能存在无数个切向量，通常我采用 “ 顶点的法向量和视线方向做叉积，其结果作为 T 。
Bank BRDF 模型渲染效果如 图 26 、 图 27 所示。 图 27 的渲染图非常明显的呈现出各向异性的光照效果。
下面分别给出 Bank BRDF 的顶点着色程序和片段着色程序代码。
代码 10 Bank BRDF 的顶点着色程序
void main_v(float4 position : POSITION,
float4 normal : NORMAL,
out float4 oPosition : POSITION,
out float3 worldPos : TEXCOORD0,
out float3 worldNormal : TEXCOORD1,
uniform float4x4 modelViewProj,
uniform float4x4 worldMatrix,
uniform float4x4 worldMatrix_IT)
{
oPosition = mul(modelViewProj, position);
worldPos = mul(worldMatrix, position).xyz;
worldNormal = mul(worldMatrix_IT, normal).xyz;
}
代码 11 Bank BRDF 片段着色程序
void main_f(float4 position : TEXCOORD0,
float3 normal : TEXCOORD1,
out float4 color : COLOR,
uniform float3 globalAmbient,
uniform float3 lightColor,
uniform float3 lightPosition,
uniform float3 eyePosition,
uniform float3 Ka,
uniform float3 Kd,
uniform float3 Ks,
uniform float shininess)
{
float3 P = position.xyz;
float3 N = normalize(normal);
float3 ambient = Ka * globalAmbient; // 计算环境光分量
float3 L = normalize(lightPosition - P);
float ln = max(dot(L, N), 0);
float3 diffuse = Kd * lightColor *ln; // 计算有向光漫反射分量
// 计算镜面反射分量
float3 V = normalize(eyePosition - P);
float3 H = normalize(L + V);
float3 specular = float3(0.0,0.0,0.0);
bool back = (dot(V,N)>0) && (dot(L,N));
if(back)
{
float3 T = normalize(cross(N,V)); // 计算顶点切向量
float a = dot(L,T);
float b = dot(V,T);
float c = sqrt(1-pow(a,2.0))* sqrt(1-pow(b,2.0)) - a*b; // 计算 Bank BRDF 系数
float brdf = Ks* pow(c, shininess);
specular = brdf * lightColor *ln;
}
color.xyz = ambient + diffuse + specular;
color.w = 1;
}