WebGL入门教程 - 高光计算模型

现实物体在光源的照射下，会出现吸收和反射。物体的颜色主要由漫反射决定，但局部高光效果则主要由镜面反射来决定。

从表面反射出的光线与入射角成相等但相反的角度，称为“镜面反射”。

如果镜面反射光线直接进入相机，就好像相机直接看到光源一样，即使它已经从物体上反弹出来。相机看到的是光源的光，而不是物体的颜色。如果你有一个白色光源，镜面反射将是白色的。如果您有一个红色光源，镜面反射将是红色的。因此，要对镜面反射进行建模，需要在照明模型中指定光源的颜色。

通常相机位置和反射光之间存在一个角度，如果角度很大，我们将看不到反射光，如果角度为0，那么在不考虑光线被吸收和衰减的情况下，我们看到了全部的反射光。可以用余弦函数来计算百分比，但是对于高聚焦的镜面反射来说，一般我们的直观体验是角度为0及其附近处光线陡然变亮，而超过某个角度后光线迅速变暗，因此普通余弦函数的曲线太平缓了，所以我们把余弦函数提高一个n次幂，曲线就会在边缘处（偏离角度较大处）快速下降。你可以自行测试下cos函数的指数函数的变化曲线，通过引入额外的指数参数，我们可以模拟在镜面反射矢量周围的各种光散射量。如果指数较大，例如100，则cos(a)^exp将向y轴塌缩，只有非常小的角度才会返回一个有效的百分比值，即高光区域很小；而如果指数很小，如1.0，则会模拟反射光线周围的大量光线，即高光区域较大。

高光反射数学模型

如果我们用n表示片段法线（N）方向上的正规化向量（长度为1），如下图所示：

在已知入射光位置、入射光L、片段点位置和片段点法向量的情况下，我们可以通过简单的几何计算推导反射光R如下：

R = N + P
=> R = n*dot_product(n,-L) + (L + N)
=> R = n*dot_product(n,-L) + (L + n*dot_product(n,-L))
=> R = 2*n*dot_product(n,-L) + L
其中L = fragment_position - light_position

得到反射光后，根据相机位置，我们可以进一步计算反射光和相机夹角，然后算上我们刚才提到的指数参数以及额外的一个高光强度调节参数，推导过程如下：

reflection = normalize( R );
to_camera = normalize( fragment_position - camera_position );
cos_angle = dot(reflection, to_camera);
cos_angle = clamp(cos_angle, 0.0, 1.0);
cos_angle = specular_factor*(pow(cos_angle, specular_gloss)); // 这里specular_gloss代表上面所提到的指数参数，表示shiness
specular_color = u_Light_color * cos_angle;

根据上面的公式，我们可以很容易的实现一个webgl shader程序。