着色和反射模型

着色和反射模型描述了光线如何根据材料、照明方向和观察方向从表面反射，从而决定了渲染图像中每个点的颜色和外观。

Definition

反射模型，或BRDF，指定了在给定表面点处，从给定入射方向入射的辐照度与在给定出射方向反射的辐射亮度之比。

Scope

本主题涵盖了经验着色模型，例如朗伯漫反射和Phong镜面反射，作为表面反射通用形式的双向反射分布函数，基于物理的微面元模型，以及使反射模型合理化的能量守恒和互易性约束。

Core questions

• 表面颜色如何取决于光照和视角？
• 漫反射、光泽和镜面表面有何区别？
• 一个合理的反射模型必须满足哪些物理约束？
• 真实的材质外观是如何捕捉和再现的？

Key concepts

• 漫反射和镜面反射
• 双向反射分布函数
• 微面元模型
• 菲涅尔反射
• 能量守恒和互易性
• 基于物理的材质

Key theories

Phong反射模型

表面外观被建模为环境光、漫反射和镜面反射项的总和，其中镜面高光由一个光泽指数控制，这是一种高效的经验近似方法，成为早期实时着色的默认选择。

微面元反射

粗糙表面被建模为微小镜面元分布，其反射率通过面元法线分布、几何遮蔽-阴影和菲涅尔反射推导而来，从而产生具有物理基础和能量守恒的材质。

Clinical relevance

基于物理的着色模型是电影和游戏引擎中现代材质系统的基础，它使得在不同光照条件下材质外观保持一致和可预测，并将渲染与从照片中恢复材质的逆问题联系起来。

History

Phong于1975年提出的模型提供了一种快速的经验高光计算方法；Cook和Torrance于1982年提出的微面元模型将光学中的物理基础引入图形学，2010年代，基于物理的着色成为行业标准。

Key figures

• Bui Tuong Phong
• Robert Cook
• Kenneth Torrance

Seminal works

• phong1975
• cook1982

Frequently asked questions

什么是BRDF？

双向反射分布函数描述了从一个方向入射的光线有多少反射到另一个方向，它捕捉了表面是看起来是哑光、光泽还是镜面状。

为什么能量守恒在着色模型中很重要？

表面不应反射比接收到的更多的光线；强制能量守恒可以使材质在物理上合理，并防止渲染场景出现不自然的亮度增加。