5.1 基础光照：冯氏模型与布林修正
5.1 基础光照：冯氏模型与布林修正
本节摘要：冯氏光照模型把表面亮度拆成环境光、漫反射、镜面反射三个分量的加法，是实时光照的第一语言。本节逐个解剖三分量的几何含义与公式直觉，解释布林-冯模型修正的「半角向量」退化问题，给出完整可跑的光照着色器，再用法线贴图把表面微结构补进材质层。光照是片元站的重头戏，本节也是第 5 章效果栈的地基。
三分量：一次加法拆出的世界
冯氏模型的哲学是「用三个物理直觉粗糙但计算便宜的分量相加，逼近真实光照」。三个分量各管一片视觉领地：
图 5-1 冯氏三分量：环境、漫反射、镜面反射各管什么
三个分量里最容易被低估的是环境光——它没有几何可言，纯粹是「往所有像素上加一个常数」。但调光感的高手都懂：环境光的色温和强度定的是整个画面的情绪底色，冷蓝底的夜景和暖橙底的黄昏，环境光就是第一笔。最容易被误解的是镜面反射的 shininess（反光度）参数：它是 pow 的指数，控制高光的「尺寸」而非「亮度」——高光大小与表面光滑度的物理对应（越光滑高光越小越锐），是材质可信度的关键手感。
完整光照着色器：逐行解剖
把三分量翻译成 GLSL（与 2.3 节骨架衔接，布林版）：
#version 330 core in vec3 FragPos; in vec3 Normal; in vec2 TexCoord; // 2.3 节的接口 uniform vec3 lightPos; uniform vec3 viewPos; uniform sampler2D diffuseMap; out vec4 FragColor; void main() { vec3 N = normalize(Normal); // 插值后归一化铁律（2.3 节） vec3 L = normalize(lightPos - FragPos); // 指向光源 vec3 V = normalize(viewPos - FragPos); // 指向眼睛 vec3 base = texture(diffuseMap, TexCoord).rgb; float ambient = 0.15; // 环境光：情绪底色 float diffuse = max(dot(N, L), 0.0); // 漫反射：入射角法则 vec3 H = normalize(L + V); // 布林半角：稳定且便宜 float specular = pow(max(dot(N, H), 0.0), 32.0); // 32 = shininess vec3 color = base * (ambient + diffuse) + vec3(specular); FragColor = vec4(color, 1.0); }
四个工程判断藏在这二十行里。镜面项不加底色（base 只乘前两项）——高光是光源在表面上的直接反射，保持光源色而非材质色，塑料感的一大来源就是镜面被材质色染过。光强随距离衰减（点光源必备）在本段略去，标准做法是除以距离平方再乘一个可调强度，调参时注意「平方衰减」比线性衰减物理正确且更有戏剧性。多光源就是这三行计算循环 N 遍加总——循环次数在编译期写死（着色器变体，2.3 节束内分支的结论），运行期增删光源等于换程序。顺带的诊断口诀：全场均匀发亮查环境光是否乘错位置；高光位置诡异查 V 的方向（是「指向眼睛」不是「眼睛指向片元」）——方向量的符号错误是光照代码的头号笔误。
衰减值得多看一眼，因为它是最常被写错的一环。平方衰减在近距离时数值爆炸（除以极小的数），工程写法是给分母加一个常数项垫底：强度除以「距离平方加常数」——这个常数同时起到「限制最亮值」的作用。另一个实践要点是衰减按光源类型分化：方向光（太阳）不衰减（平行光无位置），聚光灯还要乘「与光锥轴的夹角衰减」让光斑边缘渐暗。三种光源 = 三套衰减公式 + 同一套三分量计算，着色器里的差异全部集中在「L 方向与强度怎么来」，三分量本体一行不改——这是光照代码组织成「光源策略 + 着色核心」两块的理由。
法线贴图：表面微结构的假与真
冯氏光照只吃一根插值法线，整个三角形共用近似方向，表面看起来光溜溜。法线贴图的思路：不再插值大三角形的平均法线，而是从一张纹理里逐像素取出「扰动后的法线」——砖缝的凹陷、布料的织纹、皮肤的毛孔，全部变成光照计算里的真实几何起伏，而三角形数一个不加。
实现要点三条。其一，切线空间：法线贴图存的不是模型空间法线，而是「相对于表面局部坐标系」的法线——这样贴图才能复用到任意朝向的表面（同一张砖纹贴墙贴地都行）。着色器里要先把光方向和视线方向变换进切线空间（靠顶点着色器传来的切线基矩阵 TBN），或者反过来把采样法线变换到世界空间，两条路线等价，前者省片元计算是主流。其二，法线编码：法线三分量在负 1 到 1 之间，纹理存 0 到 1，所以采样后要乘 2 减 1 还原——忘记这步，法线全部朝天，光照发闷是它的指纹。其三，压缩时法线贴图有专用格式（重建 z 分量的那类），乱用普通压缩格式会出方向噪点。
⚠️ 常见坑：法线贴图「凹凸反转」——凸的砖块看起来像凹进去的。病因多半是切线方向约定反了或贴图通道绿通道（Y）约定相反，两种行业标准（上还是下）不兼容。修法不是调光照参数，而是换算 Y 通道或翻切线约定。
从冯氏走向何方
冯氏的三宗罪为后两节埋线：不能量守恒（镜面加漫反射的总能量可以凭空超支，PBR 一节解决）；高光是纯几何近似（材质的物理属性缺席，PBR 的 BRDF 解决）；阴影缺位（三分量都假设光无遮挡，下一节解决）。它便宜、直觉、可调试，至今仍是移动端与风格化渲染的主力——但要知道它省掉了什么，才知道升级时买到的是什么。
本节要点回顾
- 三分量各管领地：环境光定情绪底色、漫反射管哑光主体、镜面管高光产权
- shininess 管尺寸不管亮度：高光小=表面光滑，这是材质手感的第一旋钮
- 布林修正换半角向量：更稳、更省，永远用布林版
- 镜面不被底色染：光源色高光是塑料感的分水岭；方向量符号错误是头号笔误
- 法线贴图三要点：切线空间复用、乘 2 减 1 还原、凹凸反转查 Y 通道约定
光有了，但「光被挡住的地方该是暗的」这件事冯氏模型完全不管——下一节解剖阴影：把第 3 章的 FBO 闭环调转一个视角，影子就掉出来了。