引言

 着色是针对某一个点(片段)的应用，这里需要考虑着色的频率。
 漫反射项代表光向四面八方均匀的反射出去，和观察方向无关。
 Blinn-Phong反射模型结构如下：
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一、Blinn-Phong模型

（1）Specular

 什么时候才能看到高光？高光类似于镜面反射，是指物体的表面足够光滑时，入射光照射到物体表面的入射点，光照基于物体表面的法向量发生了镜面反射，而当这条镜面反射光线离我们的观察方向越近时，自然我们看到的高光也越亮。
 这时候你可能想，那我们做反射向量和观察方向的点乘，计算出它们之间夹角的余弦，用余弦的大小来度量两条直线间是否接近不就行了？其实这并不是一个好方案。举个例子，比如一个物体的上表面已经高光，我们从生活经验可以得知，我们从任何地方看，只要看得到上表面就一定会看到高光，虽然这个高光的亮度和形状可能不一样。但是你设想在计算高光时，我们从入射方向看，如果入射方向是个钝角，反射后它也会离表面法相很远，导致反射方向和我们的观察方向间夹角为一个钝角，钝角的余弦值是什么？是负数，这将会导致我们看不到高光。因此我们不能采取这种策略计算高光。如果不用半程向量被称为Phong模型，被改进使用半程向量叫做Blinn-Phong模型。
 Blinn-Phong模型中使用了半程向量，所谓半程向量就是我们观察方向和光线入射方向构成的角的角平分线。我们度量这个角平分线和物体表面法线间是否接近，就可以解决上述问题了。

 我们是要使用p表示次方？观察下图，横坐标代表了半程向量和法向量间夹角，纵坐标代表了计算处理的余弦值，我们会发现如果不进行次方处理，当两个向量相差45°时高光依然很强！按照我们的生活经验，往往只有很小的一个角度范围才能看到高光，因此我们进行次方处理，使得只有在两向量非常接近时才能看到高光。这个参数会使得高光圈大小发生改变，可以看看OpenGL光照基础最后的对比图。在Blinn-Phong模型中这个值通常用100-200.

 P值变化对整个图像的影响(加入了漫反射)：

 当n和h接近时，v和R(镜面反射)也接近。要注意，使用向量时我们必须保证它是归一化的，因此使用前我们要先进行归一化。要注意，通过点乘计算余弦值衡量两个向量间是否靠近时，一定要注意向量的正负，即它们应该是"同向的"。许多时候为了计算方便，我们会将入射方向定义为(光源位置-物体位置)，这明显不是正规的入射方向，但是这样定义方向，才能和法向量进行点乘，否则使用入射方向必须加一个符号。所以你必须清晰的知道你现在使用的向量是什么方向，做的运算需要什么方向。
 同样我们使用一个ks来表示物体材质，它叫做镜面反射系数，表示物体镜面的光滑程度。
 Blinn-Phong模型只是一个经验模型，而非准确的物理模型，比如高光的计算，按理来说高光也属于反射光，也应该考虑物体吸收了一部分光。但是这里并没有考虑物体吸收的光。其实也无伤大雅，我们只在乎能否显示出这个高光，而非准确无误的物理模型。也因此在游戏开发时，游戏开发人员需要经常去调试材质或者光照参数，一边调试一遍观察以此来衡量游戏效果是否好。

（2）Ambient Term

 定义环境光照：

 环境光和观察方向、法向方向都没有关系，环境光是一个常数。如果要真实模拟现实，那需要采用的是全局光照技术。

（3）最终颜色

 物体最终的颜色为所有颜色项相加。

二、着色频率

（1）三种着色频率

 着色模型需要对物体上每一个顶点进行着色。
 下图中三个球使用的模型一样，第一个球是对每个平面(法向量为面法向量)只做只做一次Shading。第二个球是对每个顶点(法向量为顶点法向量)做一次Shading，三角形内部点的颜色通过插值计算。第三个球是对每个像素做一次Shading，通过计算每个顶点法向量插值出每个像素的法向量，对每个像素进行着色。

（2）Flat Shading

 通过三角形向量的叉乘，计算每个面的法向量，对每个面进行着色。

（3）Gouraud Shading

 求出每个顶点的法线，对每个顶点进行一次着色，计算出每个顶点的颜色，然后基于三个顶点对三角形内部进行插值。

（4）Phong Shading

 计算出每个顶点的法线，通过三角形三个顶点的法线插值出三角形内部每个像素的法线，然后对每个像素点进行着色。Phong Shading和phong模型没有关系，它们是由同一个人发明的，但描述的内容无关。

（5）渲染频率的选择

 着色频率没有绝对的好坏，如下图所示，当面或者顶点数量非常大时，使用普通的Flat Shading即可。当面或顶点的数量甚至超过像素时，做Flat Shading反而计算量比Phong Shading大。所以无论是效果还是计算量，三种渲染频率都没有绝对的好坏之分。
 对一般面不是很多的模型来说，Phong Shading会有一个不错的渲染效果。

（6）顶点法向量的计算

 如果是球体，直接将顶点和球心连线即可得到法向量。
 对于普通顶点，使用包含这个普通顶点的面法线，求一个平均值得到顶点的法线。还可以用每个面的面积作为权重，对法线做一个加权的平均。

 所有的法线都是向量，求出来就应该归一化。

三、渲染管线Graphics Pipeline

（1）渲染管线的概述

 渲染管线的流程如下图所示。
 场景种的模型是如何定义的？模型先定义了一系列顶点，然后定义了每个三角形分别对应的顶点，这一只需要把点按照三角形连接起来就变成了模型。
 首先我们将所有顶点输入到三维空间中，然后进行视图变换、投影变换、视口变换，将三维空间中的顶点映射到了二维屏幕空间中。
 然后我们再根据三角形的顶点信息，分别连接每一个三角形的顶点。
 当屏幕上存在许许多多的二维三角形时，我们遍历每一个三角形，按照三角形的包围盒去对像素进行光栅化，即对每个像素进行采样、进行深度测试，找到实际能显示在屏幕上的像素。
 最后对能显示在屏幕上的像素进行着色。

（2）Vertex Processing

 对每个顶点做变换。

（3）Rasterization

 对每个像素进行光栅化。

（4）Fragment Processing

 对像素进行深度测试。

（5）着色

 如果是对每个顶点着色，则在VertexProcessing阶段即可进行着色。
 如果是对每个像素着色，如Phong Shading则要在所有fragment像素产生后进行着色。
 所以如果是做着色，最重要的就是：顶点或者像素如何着色。现代GPU中这两部分是可编程的，Shader程序就是控制这两部分是如何着色的。

（5）Shader Programs

 Shader是对每个顶点和像素都通用的，每个顶点或者每个像素(光栅化产生的)都会执行一次Shader程序。在Shader中我们只需要关注一个顶点或者一个像素是怎么运作的。
 如果写的是针对顶点的操作，那么这个Shader叫做Vertex Shader即顶点着色器。
 如果写的是针对像素的操作，那么这个Shader叫做Fragment Shader即片段(像素)着色器。对于像素着色器，最后必须计算出每个像素的所要呈现的颜色。
 片段着色器中具有(OpenGL已经算好的)插值出来的像素的法线。顶点着色器定义所有模型的顶点如何操作，像素着色器顶点所有的像素如何操作。

 GPU在硬件上实现了一整套渲染管线，有一部分是可编程的，即顶点着色器和片段着色器。但随着技术的不断发展，有越来越的部分是可编程的，比如现在的几何着色器，可以动态的产生更多的几何形体。computer shader可以实现通过的GPU计算，称为GPGPU。
 GPU有独立的也有集成的，GPU具有很强的并行计算能力。我们定义着色器程序，每个像素都按照着色器程序来计算，因此图形学很适合使用GPU来计算。

四、纹理映射

 很多时候诸如椅子、桌子上面不仅是在顶点处有颜色，在内部也会有纹路、刻痕等，也就是三角形内部的像素如何用途一个纹理去填充呢？

 任何一个三维物体的表面都是二维的，如下图所示：

 三维空间中最基本的图形是三角形。我们需要将模型中每一个三角形对应到纹理贴图的一个三角形上，当然这是艺术家做的事情。我们已经知道了模型中每个三角形在纹理中的坐标。

 纹理坐标系如下图所示，通常无论纹理多大、形状什么样、分辨率多高，我们都认为u和v处于【-1,1】内。因此我们给三角形每一个顶点一个uv即纹理坐标，以此来实现纹理映射。
 如果纹理贴不完物体表面，比如瓷砖纹理，其实纹理会重复运用在物体上，并且设计家会涉及好纹理，让纹理往各个方向重复后得以完美衔接。
 如果我们有了三角形顶点的纹理坐标，那么我们如何得到三角形内部像素点的纹理坐标呢？这当然也是插值。插值就是当三角形顶点具有某一种属性时，我们基于三角形顶点和像素点的位置关系，计算出像素点这项属性应该具有的值。插值会将属性做一个平滑的过渡，使用到重心坐标。