光照模型

Posted 2020-10-20 柯腾_wjf

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，比较典型的有ward BRDF模型，其中的不少参数是需要仪器测 量的，使用这种光照模型的好处是“效果非常真实”，但是“计算复杂，实现起来 也较为困难”；经验模型更加偏重于使用特定的概率公式，使之与一组表面类型 相匹配，所以经验模型大都比较简洁，效果偏向理想化。从使用角度而言，光照模型分为局部光照模型和全局光照模型。所谓局部光 照模型，是将光照的种类进行分解，在计算时只考虑其中的一种；而全局光照模 型则是考虑到所有的光照种类。
当光照射到物体表面时，一部分被物体表面吸收，另一部分被反射，对于透 明物体而言，还有一部分光穿过透明体，产生透射光。被物体吸收的光能转化为 热量，只有反射光和透射光能够进入眼睛，产生视觉效果。通过反射和透射产生 的光波（光具有波粒二相性）决定了物体呈现的亮度和颜色，即反射和投射光的 强度决定了物体表面的亮度，而它们含有的不同波长光的比例决定了物体表面的 色彩。 所以，物体表面光照颜色由入射光、物体材质，以及材质和光的交互规律共同决定。
环境光(Ambient Light):从物体表面所产生的反射光的统一照明，称为环境光 或背景光。例如房间里面并没有受到灯光或者太 阳光的直接照射，而是由墙壁、天花板、地板及室内各物体之间光的多次反射进 行自然照明。通常我们认为理想的环境光具有如下特性：没有空间或方向性；在 所有方向上和所有物体表面上投射的环境光强度是统一的恒定值。 由于环境光给予物体各个点的光照强度相同，且没有方向之分，所以在只有 环境光的情况下，同一物体各点的明暗程度均一样，因此，只有环境光是不能产 生具有真实感的图形效果。
粗糙的物体表面向各个方向等强度地反射光，这种等同地向各个方向散射的 现象称为光的漫反射（diffuse reflection）。产生光的漫反射现象的物体表面称为 理想漫反射体，也称为朗伯（Lambert）反射体。Lambert 漫反射模型：

 I 是点光源强度， θ 是入射光方向与顶点法线的夹角，称为入射 (0≤θ ≤90°)， ldiff I 是漫反射体与方向光交互反射的光强。入射角为零时，说 明光线垂直于物体表面，漫反射光强最大；90°时光线与物体表面平行，物体接 收不到任何光线。 若 N 为顶点单位法向量，L 表示从顶点指向光源的单位向量（注意，是由顶 点指向光源，不要弄反了），则cosθ 等价于 N 与 L 的点积。所以公式(9-2)可以 表示为公式(9-3)：

综合考虑环境光和方向来，Lambert 光照模型可写为：