Chapter18 基于物理的渲染——Shader入门精要学习

一、PBS理论和数学基础

1.光是什么

光是一种电磁波，由光源射出，与场景中的物体相交，一部分被吸收，一部分被散射，最后被感应器（眼睛等）吸收成像。光的传播方向会受到介质折射率的影响，折射率突变会导致散射现象。
我们一般假设两个介质的边界是无限大并且光滑的。用菲涅尔等式来描述光的反射与折射的各自占比

微表面模型

• 微表面模型：真实物体表面由许多微小的凹凸不平的表面组成，这些表面称为微表面，微表面模型假设每个微表面都是光学平滑的
• 光滑表面反射光线方向变化小，高光反射清晰；粗糙表面反射光线方向变化大，高光反射模糊
  
• 金属材质所有被折射的光会被吸收，转化为其他能量；非金属材质一部分会吸收，一部分又会散射到外部，散射出去的光叫做 次表面散射光（subsurface-scattered light）
  
• 次表面散射距离：次表面散射光从内部射出的位置与入射点之间的距离称为次表面散射距离
  
  由于像素大小有限，如果次表面散射距离小于像素大小，可以忽略次表面散射光的影响，在局部范围内进行渲染；如果次表面散射距离大于像素大小，则需要使用特殊的渲染技术来模拟次表面散射效果——次表面散射渲染技术

2.渲染方程

• 辐射率 radiance：单位面积、单位方向上光源的辐射通量，用L来表示，被认为是单一光线的亮度和颜色评估
• 着色（shading）过程：通常使用入射光线的 $L_i$ 来计算出射光线 $L_o$
• 渲染方程：给定观察视角v，该方向上的出射辐射率 $L_o$ = 该点向观察方向发出的自发光辐射率 $L_e$ + 所有有效入射光 $L_i({\omega }_i)$ 到达观察点的辐射率积分和
  
  在实时渲染中，自发光项通常是直接加上某个自发光值，累加部分也基本无法实现，因此积分部分基本会被若干精确光源的叠加所替代，而不需要计算所有入射光线在半球面上的积分

3.精确光源

在实时渲染中，会用 精确光源 来近似模拟面光源 —— 点光源、平行光、聚光灯等。用 $l_c$