Graphics - 光照模型

一些图形学的概念介绍,个人摘抄或整理,作为个人文章的词条引用;

光照模型(illumination model)

当光照射到物体表面时,物体对光会发生反射、透射、吸收、衍射、折射、和干涉,其中被物体吸收的部分转化为热,反射、透射的光进入人的视觉系统,使我们能看见物体;为模拟这一现象,我们建立一些数学模型来替代复杂的物理模型,这些模型就称为明暗效应模型或者光照明模型(也称为着色模型);

光照模型按照所模拟的光照类型可分为局部光照模型全局光照模型

局部光照模型

在真实感图形学中,仅处理光源直接照射物体表面的光照明模型被称为局部光照明模型;

局部光照模型是一种比较简单的光照模型它是与光栅化渲染算法相适应的,光栅化算法一次只考虑一个像素的光照强度,因此局部光照模型不能计算某像素受其他像素影响的光照强度部分;也就是说,局部光照模型只对物体进行直接光照的计算,而不考虑其他的间接影响;常见的局部光照模型:

  • Lambert漫反射模型;
  • Phong光照明模型;
  • Blinn-Phong光照模型;
  • Cook-torrance光照模型;

全局光照模型

全局光照模型是基于光学物理原理的,光照强度的计算依赖于光能在现实世界中的传播情况,考虑光线与整个场景中各物体表面及物体表面间的相互影响,包括多次反射 、透射 、散射等;因此,与局部光照模型相比,全局光照模型需要相当大的计算量,但同时也能取得非常逼真的真实效果;其主要算法有:

  • 光线跟踪算法;
  • 辐射度算法;
  • 光子映射;
  • 基于物理的BRDF模型;
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光照模型按照算法思路可以分为

测量模型

MERL等实验室使用仪器测量了上百种真实材质表面在不同光照角度和观察角度下的反射数据,并记录在MERL BRDF Database等数据库中;这些数据由于采集自真实材质,所以使用它渲染出来的结果很真实,但缺点是没有可供调整效果的参数,无法基于这些数据修改成想要的效果,另外部分极端角度由于仪器限制,无法获取到数据,而且采样点密集,数据量非常庞大,所以并不适合游戏等实时领域,一般可用在电影等离线渲染领域,也可以用来做图形学研究,衡量其他模型的真实程度;

经验模型

经验模型并不是基于物理原理,而是提出经验公式,通过调整参数来模拟光照;比如Phong光照明模型,以及对Phong模型做出修改,也就是后来广泛使用的Blinn-Phong光照模型等都属于经验模型;

基于物理的分析模型

1967年Torrance-Sparrow在Theory for Off-Specular Reflection From Roughened Surfaces中使用辐照度学和微表面理论推导出粗糙表面的高光反射模型,建立了模拟真实光照的BRDF模型,1981年Cook-Torrance在A Reflectance Model for Computer Graphics中把这个模型引入到计算机图形学领域,现在这个模型已经成为基于物理着色的标准,被称为Cook-Torrance模型,无论是CG电影,还是3D游戏,基于物理着色都是使用的这个模型;


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