3D数学 学习笔记（8） 光照

参考书籍：
《3D数学基础：图形与游戏开发》

⊗符号代表两个色彩“按位乘”。

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标准光照方程

C_lit = C_spec + C_diff + C_amb + C_emis

• C_lit：打开光照情况下计算颜色值的结果。
• C_spec：镜面反射分量。
• C_diff：漫反射分量。
• C_amb：环境光分量。
• C_emis：自发光分量。

需要考虑的因素：
- 材质属性。
- 表明法向量方向。
- 光源性质。
- 观察者位置。

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自发光（emissive）

C_emis = m_emis
光照颜色值等于自身材质颜色值。

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镜面反射（高光反射，specular）

Phong模型

所有向量都是单位向量。
- n：表面法向量。
- v：指向观察者。
- l：指向光源。
- r：l 对 n 镜像的结果，r = 2 ( n · l ) n − l 。
- θ：r 和 v 的夹角，可以用 r · v 计算得到。

r的计算方法：

• m_gls：材料的光泽度（gloss），一般是灰度值。控制“光斑”范围，值越小，光斑越大且平滑。下图从下到上，值越来越大。
• m_spec：材料的反射强度。控制“光斑”的强度，值越大，越光滑（越亮）。下图从左到右，值越来越大。
• s_spec：光源的镜面反射颜色。控制光的颜色和强度。

从下到上，m_gls越来越大，从左到右m_spec越来越大。最左列因为m_spec为0，所以对光照不做任何贡献。

Blinn模型

h（halfway）为 v 和 l 的中间向量（类似对称轴）。

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漫反射（diffuse）

是随机的反射光，不依赖于视点位置。光源位置是主要因素。镜面反射是物体表面完全光滑下的反射，而漫反射是物体表面粗糙造成的。

假设光之间距离相同，且表面有限，垂直射入的光线就会比斜着进入的光线多。

Lambert法则

• m_diff：材料的散射色。
• s_diff：光源的散射色，一般等同于光源镜面色s_spec。
• n · l：法向量与光源夹角的余弦值，即角度越大，值越小。
  

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环境光（ambient）

不涉及任何光源。
- m_amb：材质的环境光，总是等于漫反射分量：纹理图。
- g_amb：整个环境光值。

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多个光源结合

• 所有光源结合即可，环境光和自发光只有一个。
  

在计算顶点光照时，因为m_diff不是顶点级材质属性，可以假设m_amb等于m_diff。

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着色模型

flat着色

逐多边形计算。一个三角形只计算一次，去三角形的中心。

Gourand着色

逐顶点插值计算。先通过顶点计算光照，再用于三角形面插值。

Phong着色

逐像素计算。

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光源

• 点光源（全向光、球状光，Point Light）。
• 平行光（Directional Light、Parallel Light），没有位置和衰减。
• 聚光灯（Spot Light），有高光区还有衰减区。常见圆锥形（手电筒）和四椎体形（电影放映）。

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光的衰减（Attenuation）

现实世界中，光的强度反比于物体和光源距离的平方。

常用一个简单线性方程来计算衰减：d_min内，光强不衰减，d_min到d_max内，光强从1减到0，超出d_max则光强为0。

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BRDF光照模型（Bidirectional Reflectance Distribution Function）

　　给定入射光线方向和辐照度后，可以得到出射方向的光照分布。如果是对场景理想化和简化后的模型，称为经验模型。