現代OpenGL+Qt學習筆記之十一：使用halfway向量提高光照計算效率

現代OpenGL+Qt學習筆記之十一：使用halfway向量提高光照計算效率

主要內容

  本文介紹另一種光照計算的方法，可以減少光照計算的效率，當需要計算光照的的頂點/片元的較多時，使用該方法可以提高着色器的運行效率，從而提高渲染效率。

halfway向量

  現代OpenGL+Qt學習筆記之七：Phong光照及在GLSL中使用函數一文中已經介紹了Phong光照模型的原理及計算方法。本文將對鏡面反射光強(specular)成分的計算方法進行優化。從而達到提高光照計算效率的目的。

  在之前的介紹中，鏡面反射光強的計算是通過下列公式實現的：

Is=LsKs(r⋅v)f

  其中向量r 是光的反射方向，v 是反射點到觀察點的方向。向量r 的計算公式爲：

r=−s+2(s⋅n)n

  共需要進行一次點乘運算、一次加法運算和多次乘法運算。下面就引入halfway向量h 來簡化鏡面反射光強的計算。

  我們定義h 爲如下向量：

h=v+s

  各向量之間的關係如下圖(h 在使用前需要進行單位化)：

  注意到n 是向量r 和s halfway向量，而h 是v 和s 的halfway向量，不難證明，v 和r 之間的夾角是h 和n 之間的夾角的兩倍，因此r⋅v 也是與h⋅n 存在一定的正比例關係，因此在計算鏡面反射光強時，可以用h⋅n 代替r⋅v ，雖然計算結果不一樣，但是要表達的意義是一樣的。即有：

Is=LsKs(h⋅n)f

  這樣做的好處很明顯，就是不需要計算s 而只需要進行一次加法計算就能得到h ，計算量大大減小，計算效率自然會提高。

  當然，在參數f 一定時，鏡面反射的效果會有所不同。

halfway向量的實現

  使用這種方式計算鏡面反射光強的方式非常簡單，只需要修改相關着色器程序中的部分代碼即可。在現代OpenGL+Qt學習筆記之七：Phong光照及在GLSL中使用函數一文源碼的頂點着色器中，修改部分代碼，首先刪除計算向量r 的行：

    vec3 r = reflect( -s, norm );

而增加計算向量 h 的代碼如下：

    vec3 h = normalize( v + s );

再將計算鏡面反射光強spec的語句改爲：

        spec = Light.Ls * Material.Ks *
               pow( max( dot(h, norm), 0.0 ), Material.Shininess );

  保存並運行程序，結果如下：

  原始的未採用該方法計算的結果如下：

  這裏因爲頂點較少，並沒有列出運行時間比較性能，不過從計算方式上看，肯定是在性能上有所優化的。從結果上看，當參數f 的值相同時，使用halfway向量的渲染結果的鏡面區域更大。

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