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3D應(yīng)用開(kāi)發(fā)中常用光照類(lèi)型基本概念工作原理及其計(jì)算公式

發(fā)布時(shí)間：2024-04-13 14:58:56 瀏覽量：180次

在三維場(chǎng)景中，原理上物體的渲染效果取決于光照與物體表面的相互作用，對(duì)于渲染程序而言，可以通過(guò)把一些數(shù)學(xué)公式應(yīng)用于像素著色來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而模擬出真實(shí)生活中的各種材質(zhì)效果。比如金屬、玻璃、木質(zhì)或石刻效果等。

本文做如下假定：

· 我們討論的是基于像素著色（per-pixel basis），每個(gè)pixel有它自己的位置向量，法線向量以及表面顏色（Surface color，在這里可以是來(lái)自紋理的顏色，也可以是RGB顏色（flat color））；

· 表面顏色（Surface color）通常是由R,G,B三部分組成，在這個(gè)教程中，我們把它當(dāng)作一個(gè)向量看待；

· 輸入表面顏色（光照處理前的表面顏色，這里的"輸入"可以理解為函數(shù)的輸入?yún)?shù)的"輸入"）只是普通的顏色（單純的紋理顏色或者RGB顏色），而輸出表面顏色（光照處理后的表面顏色）是光照作用于表面的合成顏色，如可以是有陰影，高光等效果的顏色。

· 這個(gè)教程中假設(shè)每個(gè)場(chǎng)景中只有一個(gè)燈光。對(duì)于多燈光的場(chǎng)合，對(duì)每一個(gè)燈光循環(huán)進(jìn)行這些運(yùn)算（環(huán)境光除外）。

Ambient Lighting 環(huán)境光

在真實(shí)生活里，有光源的房子里的物體不會(huì)是全黑的，即使這個(gè)表面是背對(duì)光源的，這是因?yàn)橛协h(huán)境光（可看作是光線在環(huán)境中經(jīng)過(guò)充分傳播后所形成的一種無(wú)方向的全局均勻光照）。我們認(rèn)為場(chǎng)景中的物體，不論它在什么位置，總會(huì)受到一定數(shù)量的環(huán)境光照射。環(huán)境光照算法如下：

環(huán)境光照效果圖：

Lambert Shading 漫射光

現(xiàn)在我們真正開(kāi)始考慮一束光照射在物體表面上的作用過(guò)程，我們使用最常見(jiàn)的光照算法-------漫反射光照著色（或者說(shuō)郎伯特余弦定律或郎伯特著色），這個(gè)算法是將入射光與表面法線向量的點(diǎn)積當(dāng)作漫反射光照強(qiáng)度因子，下面我們看看環(huán)境光照與漫射光照共同作用的算法:

環(huán)境光與漫射光共同作用效果

Specular Highlights 鏡面高光

現(xiàn)在我們考慮物體表面有光澤的效果，這種效果是將Phong反射模型，結(jié)合前面兩個(gè)光照作用而成。這中光照效果計(jì)算需要知道觀察者在場(chǎng)景中的位置，而先前的環(huán)境光照與漫射光照效果計(jì)算都與觀察者所在位置無(wú)關(guān)的。

這種光照計(jì)算是這樣的，首先我們計(jì)算入射光在表面處的反射光線，然后再將反射光線與視線（觀察者的眼睛與表面觀察點(diǎn)的連線）之間的點(diǎn)積值當(dāng)作反射到觀察者眼中的光照強(qiáng)度因子，因?yàn)楸砻嫔细吡恋牟糠质欠瓷涔饩€反射到觀察者眼睛或照相機(jī)中較多的地方，這些地方的反射光線與視線之間的夾角非常小，點(diǎn)積值就越大。

環(huán)境光照,漫射光照與鏡面光共同作用

[ 注意：可以在一個(gè)場(chǎng)景中使用多個(gè)漫射光照與鏡面光作用 ]

Fresnel Term 菲涅爾準(zhǔn)則

菲涅爾效果是根據(jù)觀察者的觀察表面來(lái)調(diào)整反射率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。比如你從水面，油漆表面或者絲綢的正上方看，反射光澤的柔和效果基本沒(méi)有，如果側(cè)著或平著看的話，反射光澤的柔和效果就很明顯，這就是菲涅爾效果。我們簡(jiǎn)單地通過(guò)點(diǎn)積操作計(jì)算表明法線與視線之間夾角的余弦值，再將這個(gè)值加權(quán)。對(duì)于較平滑表面，加權(quán)系數(shù)設(shè)置在1.0-5.0之間（油漆效果，絲綢等），對(duì)于比較凹凸的表面，加權(quán)系數(shù)設(shè)置為8.0或更高（水波，液體等）

漫射無(wú)菲涅爾反射時(shí)效果

漫射有菲涅爾反射時(shí)效果

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