【技术美术】光照模型

【技术美术】光照模型

光照模型实际就是用于计算光照效果的方法，发展至今已有多种光照模型可用。

光照类型

从来源分类

• 直接光：直接来自光源的光。
• 间接光：通过其他表面反射的光。

从组成分类：

• 漫射光：光在粗糙的表面进行多次反射后再反射进眼睛的光。
• 镜射光：光在光滑表面进行一次反射后直接反射进眼睛的光。
• 环境光：从其他物体表面反射的光照在物体上后再反射的光。
• 次表面散射：光通过一些半透明的物体内部后再反射进眼睛的光。

光照模型类型

从计算范围分类

• 局部光照模型：只计算直接光，或环境光等直接打在物体上的光照效果。
• 全局光照模型：在局部光照模型基础上，还会考虑光折射反射后打在物体上的效果。

从计算原理分类

• 经验模型：基于人们对光照现象的直观感受，用经验编写的公式来模拟光照。
• PBR 模型：基于物理的渲染方式（Physically-Based Rendering），这类模型基于真实的物理现象和公式演化而来。相较经验模型，拥有更真实的呈现效果和物理正确性。

从着色风格分类

• Gouraud：为每一顶点计算光照，再通过插值的方式得出最终效果。

从函数类型分类

• BRDF（双向反射分布函数）：

  用于计算入射光与反射光关系的函数，即计算漫射光和近射光等从物体表面直接反射的光的函数。是常见游戏引擎中所使用的利用光栅化计算的光照模型。

• BTDF（双向投射分布函数）：

  用于计算入射光与投射光关系的函数，即计算透过物体内部再折射出的光（次表面散射）的函数。

• BSDF（双向散射分布函数）：

  BRDF 和 BTDF 的超集，是既计算反射光也计算折射光的函数。是常见图形软件中烘焙灯光时所使用的光照模型。

主流光照模型

Lambert

https://en.wikipedia.org/wiki/Lambertian_reflectance

1760 年提出，是只考虑了漫射光的简单模型，其通过点乘模拟漫射强度的思想，奠定了后续光照模型的基础。

Phong

https://en.wikipedia.org/wiki/Phong_reflection_model

1975 年提出，是一个完整的局部光照模型，在 Lambert 的基础上还考虑了环境光和镜射光。

BlinnPhong

https://en.wikipedia.org/wiki/Blinn–Phong_reflection_model

一个改进版的 Phong 模型，对其镜射光的计算方式进行了调整，有更高的计算效率和高光效果，是过去很多图形接口的内置光照模型。

CookTorrance

https://graphicscompendium.com/gamedev/15-pbr

1982 年提出，相比前几代的经验光照模型，由于其是基于真实物理现象设计（PBR 模型），因此拥有更真实的呈现效果和物理正确性，如今更是被广泛使用。

Unity 中对于该公式的镜射系数的实现：

https://community.arm.com/cfs-file/__key/communityserver-blogs-components-weblogfiles/00-00-00-20-66/siggraph2015_2D00_mmg_2D00_renaldas_2D00_notes.pdf

$$\begin{array}{rl}D& =\frac{roughnes{s}^2}{((\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{h}{)}^2\ast (roughnes{s}^2-1)+1{)}^2}\\ \\ V\ast F& =\frac{1}{(\overrightarrow{l}\cdot \overrightarrow{h}{)}^2\ast (roughness+0.5)}\\ \\ specular& =\frac{D\ast V\ast F}{4}\\ & =\frac{roughnes{s}^2}{((\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{h}{)}^2\ast (roughnes{s}^2-1)+1{)}^2\ast (\overrightarrow{l}\cdot \overrightarrow{h}{)}^2\ast (roughness+0.5)\ast 4}\end{array}$$