参考：

https://sites.cs.ucsb.edu/~lingqi/teaching/games101.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/49474631

光照模型

当光照射到物体表面时,物体对光会发生反射、透射、吸收、衍射、折射、和干涉,其中被物体吸收的部分转化为热,反射、透射的光进入人的视觉系统,使我们能看见物体。为模拟这一现象,我们建立一些数学模型来替代复杂的物理模型，这些模型就称为明暗效应模型或者光照模型。

光照模型可分为局部光照模型与全局光照模型，下面将按种类进行分析。

局部光照模型

在图形学中,仅处理光源直接照射物体表面的光照明模型被称为局部光照明模型。

局部光照模型是一种比较简单的光照模型，它是与光栅化渲染算法相适应的，光栅化算法一次只考虑一个像素的光照强度，因此局部光照模型不能计算某像素受其他像素影响的光照强度部分。也就是说，局部光照模型只对物体进行直接光照的计算，而不考虑其他的间接影响，常见的局部光照模型有以下几种。

Lambert光照模型

Lambert光照模型主要是用来模拟粗糙物体表面的漫反射光照现象，是一种经验模型。

漫反射的基本特点有两点：

反射强度与观察者的角度没有关系；
反射强度与光线的入射角度有关系。

Lambert 光照模型的计算公式如下：

$L_d = k_d(I/r^2)\max{(0, \mathbf{n} \cdot \mathbf{l})}$

其中：

$L_d$ 代表(漫反射)光照的计算结果，即某像素点的着色
$k_d$ 代表物体的漫反射系数，表示物体对不同颜色的光的吸收程度
$I/r^2$ 代表能量的衰减
$\max{(0, \mathbf{n} \cdot \mathbf{l})}$ 代表该点吸收的能量大小，即 Lambert 余弦定理，这里做了 max 的操作，确保最小为 0，即不考虑折射、透射等情况，只考虑反射。

phong光照明模型

Lambert模型较好的表现了粗糙表面的光照现象，如墙壁，纸张等，但是在用于诸如金属等有光泽效果的材质上则会显得呆板，表现不出光泽，主要原因是Lambert光照模型没有考虑表现这些表面的镜面反射效果。

Phong 模型将物体光照分为三个部分进行计算，分别是：漫反射分量、镜面高光和环境光，也是一种经验模型。

环境光分量是用来模拟全局光照效果的，其实就是在物体光照信息基础上叠加上一个较小的光照常量，用来表示场景中其他物体反射的间接光照。具体实现：环境分量，直接设置一个ambient分量，乘上光照颜色和物体颜色；
漫反射分量，用光线到片段的向量与片段平面法线向量的点乘，乘上光的颜色和物体颜色；
镜面分量，通过指数函数pow计算，有一个shininess分量，越大表示高光越尖锐，用到了视线方向和反射光线方向的点积。

Blinn-Phong光照模型

Phong 模型存在的问题：

在 Phong 模型中，我们通过计算观察方向 v 与反射方向 R 的夹角来确定反射光的强度，但在计算机中计算反射向量 R 的计算量比较大。
Phong 模型会出现光照截断或者过度不自然的现象，即断层现象；出现这种的情况的原因是视角和反射矢量的角度不能超过90度。如果角度大于90度，点积的结果为负导致镜面光分量值为0.0。

Blinn-Phong 光照模型是对 Phong 氏光照模型的改进，Blinn-Phong模型在处理镜面反射时不使用观察方向和反射光线的夹角来计算，而是引入了一个新的向量：半角向量(Halfway vector)。半角向量其实很简单，就是入射光线向量L和观察方向V的中间位置（角平分线）。Blinn-Phong求高光亮度的时候使用半角向量和法向量的点积来决定高光亮度。Phong是用反射光线和视线向量的点积来求高光亮度。