第六章 Unity中的基础光照

我们是如何看到这个世界的

需要考虑三种物理现象

（1）首先，光线从光源被发射出来

（2）然后，光线和场景中的物体相交：一些光线被吸收，一些光线被散射到其他方向。

（3）最后，摄像机吸收了一些光，产生了一张图像

光源

把光源当成一个没有体积的点，用 l 来表示它的方向。

我们使用辐照度来量化光。平行光的辐照度可通过计算在垂直于 l 的单位面积上单位时间内穿过的能量来得到。可以通过使用光源方向 l 和表面法线 n 之间的夹角的余弦值来得到。默认方向矢量的模为1。

辐照度和照射到物体表面时光线的距离\frac{d}{cos\theta}成反比，因此辐照度和cos\theta成正比。cos\theta可以用光源方向 l 和表面法线 n 的点积来得到。

吸收和散射

散射只改变光线的方向，不改变光线的密度和颜色。吸收只改变光线的密度和颜色，不改变光线的方向。

光线在经表面散射后：一种会散射到物体内部，称为折射或透射；一种会散射到外部，称为反射。对于不透明物体，折射进入物体内部的光线还会继续与内部的颗粒进行相交，其中一些光线最后会重新发射出表面，另一些则被物体吸收。从物体表面重新发射的光线将具有和入射光不同的方向分布和颜色。

为区分这两种不同的反射，我们使用不同的部分来计算它们：高光反射部分表示物体表面是如何反射光线的，而漫反射部分则表示有多少光线会被折射、吸收和散射出表面。根据入射光线的数量和方向，我们可以计算出射光线的数量和方向，通常用出射度来描述。辐照度和出射度之间满足线性关系，它们之间的比值就是材质的漫反射和高光反射属性。

着色

着色指的是，根据材质信息、光源信息，使用一个等式去计算沿某个观察方向的出射度的过程。把这个等式称为光照模型。

BRDF光照模型

当给定模型表面一个点时，BRDF包含了对该点外观的完整的描述。在图形学中，BRDF大多使用一个数学公式来表示，并提供一些参数来调整材质属性。当给定入射光线的方向和辐照度后，BRDF可以给出在某个出射方向上的光照能量分布。

标准光照模型

标准光照模型只关心直接光照，就是直接从光源发射出来照射到物体表面后，经过物体表面的一次反射直接进入摄像机的光线。分为四部分

（1）自发光部分(emissive)，用c_{emissive}表示。用于描述当给定一个方向时，一个表面本身会向该方向发射多少辐射量。注意：如果没使用全局光照，这些自发光表面并不会照亮周围物体，只是让它本身看起来更亮。

（2）高光反射部分(specular)，用c_{specular}表示。用于描述当光线从光源照射到模型表面时，该表面会在完全镜面反射方向散射多少辐射量。

（3）漫反射部分(diffuse)，用c_{diffuse}表示。用于描述当光线从光源照射到模型表面时，该表面会向每个方向散射多少辐射量。

（4）环境光部分(ambient)，用c_{ambient}表示。用于描述其他所有的间接光照。

环境光

真实世界中，物体可以被间接光照照亮。在光线进入摄像机前，经过不止一次的物体反射。我们使用环境光来模拟间接光照。它通常是一个全局变量，即场景中所有的物体都使用这个环境光。

c_{ambient}=g_{ambient}

自发光

光线也可以直接由光源发射进入摄像机，而不需要经过任何物体反射。直接使用该材质的自发光颜色。

c_{emissive}=m_{emissive}

自发光的表面不会照亮周围的表面，这个物体不会被当成光源。

漫反射

用于对被物体表面随机散射到各个方向的辐射度进行建模的。视角位置不重要，入射光线角度很重要。

漫反射符合兰伯特定律：反射光线的强度与表面法线和光源方向之间夹角的余弦值成正比。

c_{diffuse}=(c_{light}\cdot m_{diffuse})max(0,\hat{n}\cdot \hat{l})

其中，\hat{n}是表面法线，\hat{l}是光源的单位矢量，m_{diffuse}是材质的漫反射颜色，c_{light}是光源颜色。

我们需要防止法线和光源方向的点乘的结果为负值，因此使用max函数将其截取到0，可防止物体被从后面来的光源照亮。

高光反射

可用于计算沿着完全镜面反射方向被反射的光线。

计算高光反射需要知道的信息比较多，表面法线、视角方向、光源方向、反射方向等。假设这些矢量都是单位矢量。

其中，反射方向可以通过其他信息计算得到

\hat{r} =2(\hat{n}\cdot \hat{l})\hat{n}-\hat{l}

这样，可以用Phong来计算高光反射部分

c_{specular}=(c_{light}\cdot m_{specular})max(0,\hat{v}\cdot \hat{r})^{m_{gloss}}

其中，m_{gloss}是材质的光泽度(gloss)，也被称为反光度。用于控制高光区域的“亮点”有多宽，m_{gloss}越大，亮点越小。m_{specular}是材质的高光反射颜色，用于控制该材质对高光反射的强度和颜色。c_{light}则是光源的颜色和强度。这里也需要防止\hat{v}\cdot \hat{r}结果为负数。

Blinn提出了一个简单的修改方法来得到类似的效果。

避免计算反射方向\hat{r}，为此引入了一个新矢量\hat{h}，通过对\hat{v}
和