三维场景光照渲染的几种选择

在屏幕上呈现的三维物体的明暗和颜色，会受场景的光照的影响，如何计算这些光照造成的明暗颜色呢？一般来说有三种方法：

一、基于光栅化的经验模型

基于经验，我们发现一个物体上的光照，似乎可以分成3种：漫反射、高光、环境光，我们把这3种光线分别计算出来，再叠加在一起。如经典的布林-冯着色模型：

 

 

漫反射计算：任何物体表面都有，等于光线强度*光照角度*漫反射系数。

高光计算：光滑表面才有，等于光照强度*观测角度*高光系数。

环境光：用一个常数表示，作用是不至于没光线直线的地方完全黑。

布林-冯着色模型的优点：

1.相对于光线追踪，计算量小，实时渲染效率更高。根本原因是它是基于光栅化的渲染模型，可以选择逐像素渲染，也可以选择逐顶点渲染或者面渲染（其他像素用差值得到），可以通过牺牲质量加快速度。

布林-冯着色模型的缺点：

1.漫反射、高光、环境光毕竟是根据经验而得来的，无法模拟真实的光照效果。具体如漫反射和高光系数如何定、光照强度如何定、环境光仅仅用常数表示是否不妥、真实世界是否真的由这三种光叠加而来，都无法解决，只能靠经验大概给出一个值。最终造成渲染出来的效果为“塑料感”；

2.无法计算阴影，只能用对比着色点和观测点的距离、着色点和光照的距离，两者的深度对比得到；

3.无法表示反射光，如一个物体的材质如何是镜面或金属，真实情况应该是能反射看到周围的物体的，但在布林-冯着色模型却无法看到。

二、光线追踪

光线追踪是通过从观测点向像素发射一条光线，碰撞到最近的物体，再不断反射和折射弹向其他物体，最终收集所有弹到的物体表面的光强度来得到像素的光照值。

 

 

光线追踪的优点：光线追踪由于是基于物理反射，自然有了光线弹射，解决了布林-冯着色模型不能反射光的缺点，同时也顺便解决了阴影问题（光的强弱自动表示成阴影，不用额外计算阴影）。

光线追踪的缺点：

1.计算量大，难以像经验模型那样用逐定点或逐面插值计算；

2.光线反射和折射不完全准确，因为只有一个方向，现实情况是会向四面八方弹射。

光线追踪虽然没有了“塑料感”，能比较好的模拟现实光照，但仔细看还是会觉得不真实，表现为有的地方过曝，而有的地方又过暗。

三、路径追踪（高级光线追踪）

路径追踪的原理见光线追踪-路径追踪原理 - 银龙背上的骑士 - 博客园 (cnblogs.com)

 

 

路径追踪是如何解决光线追踪的第2个问题的呢？关键在于BRDF(双向反射比分布函数)，即明确定义在物体表面反射到各个方向的光线强度。于是反射不仅仅是一个方向上的环境光，而是整个半球面上的环境光的积分。