笔记09 图形 2.4 传统经验光照模型详解 | 【先行】基础渲染光照介绍(一)

图形 2.4 传统经验光照模型详解

相关笔记：读书笔记05《Unity Shader入门精要》

光照模型

光照模型（illumination model），也称为明暗模型，用于计算物体某点处的光强（颜色值）。从算法理论基础而言，光照模型分为两类：一种是基于物理理论的，另一种是基于经验模型的。

基于物理理论的光照模型：偏重于使用物理的度量和统计方法，效果非常真实，但是计算复杂，实现起来也较为困难；
经验模型：是对光照的一种模拟，通过实践总结出简化的方法，简化了真实的光照计算，并且能达到很不错的效果

为什么需要经验模型

现实世界的光照是极其复杂的，而且会受到诸多因素的影响，有限的计算能力无法完全模拟。使用简化的光照模型对现实的情况进行近似，使得计算处理起来会更容易，并且令效果更符合需求。这些经验模型就是基于我们对光的物理特性的理解。

局部光照模型

（和全局光照模型相对）局部光照模型只关心直接光照部分，即直接从光源发出并照射到物体表面，并反射至摄像头的光线。由漫反射，高光反射，环境光，自发光组成。

漫反射

定义：在光照模型的定义中，当光线从光源照射到模型表面时，光线均匀被反射到各个方向，这种现象就是漫反射。漫反射效果与观察者位置无关。

计算方法：漫反射光照符合 Lambert 定律（反射光强与 法线和光源方向之间的夹角的余弦值成正比）光照公式：$color=c_{light}*albedo*dot(normal,L)$

高光反射（镜面反射）

定义：当光线到达物体表面并发生了反射，观察视线在反射光线的附近时，便能够观察到了高光反射。高光反射描述了光线与物体表面发生的反射（光强不变，方向改变）
高光反射的反射率是由菲涅尔效应决定，通常使用对应的 反射贴图 描述物体表面的反射率，并且使用光泽度（粗糙度，反光度）描述高光范围的大小。
光照公式：

$$\begin{aligned} & c_{specular}=c_{light}*m_{specular}*dot(v,r)^{m_{gloss}}\\ & r=I-2*dot(n,l)*n \end{aligned}$$

其中$m_{gloss}$表示了材质的光泽度；$m_{specular}$ 表示材质的反射光；$r$ 表示反射光线；$v$ 表示视线向量

环境光

定义：在局部光照模型中，由于没有考虑间接光照的影响，因此为了处理这种间接光照，为光照模型引入环境光

光照公式：$c_{ambient}=Albedo*Ambient_{light}$

自发光

顾名思义，物体自身发射的光线，通常作为单独的一项加入光照模型。一般使用一张发光贴图描述物体的自发光

经典光照模型

Lambert 模型

$$color=c_{light}*albedo*dot(normal,L)$$

Phong 模型

第一个有影响力的光照模型。考虑直接光照的反射作用，使用环境光代替间接光照
光照公式：

$$c_{final}=A_{light}*m_{diffuse}+C_{light}*(m_{diffuse}*dot(l,n)+m_{specular}*dot(v,r)^{gloss})$$ $A_{light}$ 是 环境光量；$C_{light}$ 是 入射光量；$m_{diffuse}$ 是 漫反射率；$m_{specular}$ 是 镜面反射率； $l,n,r$ 是 指向光源的入射光向量，物体表面法线，反射向量；$gloss$ 光泽度（控制高光反射区域大小）

Blinn-Phong 模型

Blinn-Phong模型不再依赖于反射向量，而是采用了所谓的半程向量(Halfway Vector)，即光线与视线夹角一半方向上的一个单位向量。当半程向量与法线向量越接近时，镜面光分量就越大。

$$c_{final}=A_{light}*m_{diffuse}+C_{light}*(m_{diffuse}*dot(l,n)+m_{specular}*dot(h,n)^{gloss})$$

和 Phong 模型的区别

• 半角向量比反射向量的计算更加简洁
• 当光源与视线都在物体表面之上时，半角向量与法线的角度永远不大于90度
  设想一种情况，当材质的反光度非常低，因此物体的被光线照射的大部分区域都会发生高光反射。这些区域中一部分高光部分的反射向量与视线的夹角超过了90度。如果使用 Phong 模型就会导致高光区域一部分发生缺失。
  这是由于Phong模型只考虑视线与光照分布在法线两侧的情况。当视线与光照在法线同侧时且高光反射对亮度有较大影响时，就会发生断层。

Flat 模型

平面着色模型，计算多边形的单个强度，每个三角形只有一个法线方向。以相同的光强度值显示多边形的所有点。通常适用于lowPoly风格的场景

-作业-

参考备用 苏格拉没有底。的笔记，anesu的笔记

1.学习【先行】基础渲染光照介绍(一)。说出能量守恒的理念在基础光照模型中的作用

1. 揭示基础模型的物理缺陷
2. 引导理解材质参数的物理意义
3. 为过渡到PBR提供桥梁

2.基于能量守恒的理念，自己写一套完整的光照模型，需要包含环境光照

在 Blinn-Phong 公式的基础上改（？）

2种着色模型x3种基础光照模型；遵循能量守恒的Blinn-Phong

这下完事大吉（

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【先行】基础渲染光照介绍(一)

不想看视频，故直接参考了 苏格拉没有底。的笔记

一、Lambert 模型

只有漫反射项

二、Phong 模型

• 三部分：漫反射、高光、环境光

三、Blinn-Phong

• 对与Phong模型的改进：少了一个反射计算，把高光项改为用半程向量和法线的余弦值计算。

四、使用法线贴图

见读书笔记06《Unity Shader入门精要》的法线纹理，以及对应的时间代码

五、cubemap

读书笔记09《Unity Shader入门精要》

• IBL（image based lighting，基于图像的光照）：一种通过环境贴图（如立方体贴图）来捕捉来自周围环境的入射光信息，并利用这些信息计算物体表面漫反射和镜面反射的技术。

小技巧：金属感/非金属感 的近似

用粗糙度来控制“金属感”，并不是 PBR 标准中的金属度。

specular = lerp(diffuse * specular, specular, _Gloss/255);
reflcol.rgb = lerp(reflcol * diffuse.rgb, reflcol, _Gloss/255);

• 用 _Gloss（粗糙度）作为插值因子，在 “受漫反射影响” 和 “不受漫反射影响” 之间过渡。
• 当 _Gloss 很大（即表面很光滑）时，选择右边（specular 或 reflcol），让高光和反射不受漫反射颜色干扰，模拟金属质感。
• 当 _Gloss 很小（表面粗糙）时，选择左边（diffuse * specular 或 reflcol * diffuse），让高光和反射被漫反射颜色调制，模拟非金属质感。