局部光照模型雜記【Lambert/Phong/Blin-Phong/BRDF/BSSRDF/Cook-Torrance】

Lambert

Lambert不包括任何鏡面屬性寄雀,對粗糙物體來說炒俱,這項屬性是非常有用的,它不會反射出周圍的環(huán)境赡盘。簡單來說是一種“磨砂效果”号枕。

Lambert材質可以是透明的,可以在光線追蹤渲染中發(fā)生折射陨享,但是如果沒有鏡面屬性葱淳,該類型就不會發(fā)生折射。

平坦的磨光效果可以用于磚或混凝土表面霉咨。它多用于不光滑的表面蛙紫,是一種自然材質,常用來表現(xiàn)自然界的物體材質途戒,如:木頭坑傅、巖石等。

Lambert radiator

一般來說喷斋,輻射面源射向各個方向的輻射亮度是不同的唁毒,具有方向性。若輻亮度不隨方向x(x為輻亮度方向與平面法線之間的交角)變化星爪,這類輻射體就稱為朗伯輻射體(Lambert radiator)浆西,也稱為余弦輻射體。

朗伯輻射體發(fā)光強度的空間分布符合余弦定律的發(fā)光體(不論是自發(fā)光或是反射光)顽腾,其在不同角度的輻射強度會依余弦公式變化近零,角度越大強度越弱。

余弦輻射體定義公式

一個均勻的球形余弦發(fā)光體抄肖,從遠處的觀察者看來久信,與同樣半徑同樣亮度的一個均勻發(fā)光圓盤無異。太陽看起來近似像一個亮度均勻的圓盤漓摩,這表明它接近于一個余弦發(fā)光體裙士。此外,日常生活中常見的光源管毙,許多也接近于余弦發(fā)光體腿椎。

?Lambert 光照模型

Lambert光照模型(Lambert illumination model)用于純粹的漫反射表面的物體,光源照射到物體表面后夭咬,向四面八方反射啃炸,產生的漫反射效果。

這是一種理想的漫反射光照模型卓舵,比如磨砂的玻璃表面南用,觀察者的所看到的反射光和觀察的角度無關,這樣的表面稱為Lambertian。高端一點的說法就是他表面的亮度是各向同性的训枢。


Phong光照模型

對于漫反射的物體表面,使用Lambert就足夠忘巧,但是實際生活中并不存在這種理想的漫反射材質恒界,所以Bui Tuong Phong就提出了Phong模型。

最終的光照結果由Ambient環(huán)境光砚嘴,Diffuse漫反射十酣,Specular高光組成

Blin-Phong光照模型

這個模型作為Phong光照模型的改進,在表現(xiàn)上基本與Phong模型一致际长,但是性能上卻優(yōu)化了很多耸采。下圖為對比圖:

Higher exponent是將材質的反光系數(shù)乘以了4倍,使其看起來更加接近原始的phong計算結果

BRDF?

雙向反射分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance Distribution Function工育,BRDF)用來定義給定入射方向上的輻射照度(Irradiance)如何影響給定出射方向上的輻射率(Radiance)虾宇。

更籠統(tǒng)地說,它描述了入射光線經過某個表面反射后如何在各個出射方向上分布——可以是從理想鏡面反射到漫反射如绸、各向同性(Isotropic)或者各向異性(Anisotropic)的各種反射嘱朽。


BRDF定義共識公式

光線照到一個物體,首先產生了反射怔接,吸收和透射搪泳,所以BRDF的關鍵因素即為多少光被反射、吸收和透射(折射)了扼脐,是怎樣變化的岸军。這時的反射多為漫反射。

然而瓦侮,要想知道這些光線反射透射的變化就需要清楚三樣東西——物體的表面材質艰赞、光線的波長(即它是什么樣的光,是可見太陽光脏榆,節(jié)能燈光還是紫外線)和觀察者與物體之間的位置關系猖毫。

三維世界角度可以類似是球體的,光線角度除了縱向180°的變化须喂,還有橫向360°的不同發(fā)散方向吁断。會有相應的入射光,反射光坞生,入射角和反射角仔役,它們在物體表面的法平面和切平面上的關系成為了BRDF的關鍵參數(shù)。

由于人類眼睛對光的特殊敏感性是己,我們之所以能看到物體都是通過光線在物體上的發(fā)射和轉移實現(xiàn)的又兵。而雙向反射分布這樣的函數(shù)表示可以更好地描述光線在物體上的變化,反射光線同時發(fā)向分布在法線兩邊的觀察者和光源兩個方向,從而使人在計算機等模擬環(huán)境下沛厨,視覺上可以看到更好的物體模擬效果宙地,仿佛真實的物體存在。

在計算機圖形學中實現(xiàn)BRDF理論模型的一個方法是用微小面元對物體表面進行建模逆皮,每一個小平面都是表面上的一個小平面鏡宅粥,具有隨機的大小和角度。這些小平面通常被賦予一個高斯分布的尺寸和角度电谣。

P.S.

正態(tài)分布(Normal distribution)秽梅,也稱“常態(tài)分布”,又名高斯分布(Gaussian distribution)剿牺,最早由A.棣莫弗在求二項分布的漸近公式中得到企垦。C.F.高斯在研究測量誤差時從另一個角度導出了它。P.S.拉普拉斯和高斯研究了它的性質晒来。

是一個在數(shù)學钞诡、物理及工程等領域都非常重要的概率分布,在統(tǒng)計學的許多方面有著重大的影響力湃崩。

正態(tài)曲線呈鐘型臭增,兩頭低,中間高竹习,左右對稱因其曲線呈鐘形誊抛,因此人們又經常稱之為鐘形曲線。

鐘形曲線

BSSRDF

對于一般的材質采用BRDF(bidirectional reflectance distribution function)可以很好的表達整陌,而對于皮膚來說因為其具有半透明屬性光線會在皮膚的表層進行多次散射拗窃,散射根據(jù)其通過的路徑衰減,簡單來說就是光線會擴散到周圍泌辫,這對于表現(xiàn)皮膚的質感起到很大作用随夸。

模擬透明物體的方法有很多,例如Volumetric Path Tracing震放,Volumetric Photon Mapping和BSSRDF(Bidirectional Surface Scattering Reflectance Distribution Function)宾毒。BSSRDF目前是主流技術,其和BRDF的不同之處在于殿遂,BSSRDF可以指定不同的光線入射位置和出射的位(見下圖)诈铛。Jensen在2001年的論文是次表面材質建模最重要的一篇論文[Jensen, Henrik Wann, Stephen R. Marschner, Marc Levoy, and Pat Hanrahan. 2001. "A Practical Model for Subsurface Light Transport." In Proceedings of SIGGRAPH 2001.],推導了許多重要的物理公式墨礁,計算模型幢竹,渲染時的參數(shù)轉換,以及測量了許多生活中常見材質的散射系數(shù)等等恩静。大部分后來的論文都是在基于這篇文章中的理論的一些提升焕毫。

BSSRDF可以指定不同的光線入射位置和出射的位

對于BRDF模型來說蹲坷,一次反射光照的計算是在光線交點的法線半球上的球面積分。而對于BSSRDF來說邑飒,每一次反射在物體表面上每一個位置都要做一次半球面積分循签,是一個嵌套積分。

其中BSSRDF的定義是:

Rd只接受一個標量參數(shù)疙咸,這個參數(shù)的意義是光線入射位置和初設位置的曼哈頓距離懦底。直觀的理解就是,BSSRDF嘗試將光線在物體表面內部中數(shù)千次的散射后所剩余的能量用一個基于入射點和出射點之間距離的函數(shù)去近似只接受一個標量參數(shù)罕扎,這個參數(shù)的意義是光線入射位置和初設位置的距離。也就是說丐重,BSSRDF嘗試將光線在物體表面內部中數(shù)千次的散射后所剩余的能量用一個基于入射點和出射點之間距離的函數(shù)去近似腔召。這個近似則是基于幾個假設:

1. 次表面散射的物體是一個曲率為零的平面

2. 這個平面的厚度,大小都是無限

3. 平面內部的介質參數(shù)是均勻的

4. 光線永遠是從垂直的方向入射表面扮惦。

正因為有這些假設臀蛛,所以很容易把出射光的強度與出射點和入射點之間的距離用一個函數(shù)去近似。而真實的模型往往比理想中要復雜的多崖蜜,光線也有可能從各個角度入射浊仆,因此通過BSSRDF渲染的結果會有一定誤差。

Rd的求解非常復雜豫领,通過近似可以得到

有的可以得到:

可以看出和自然指數(shù)有關系抡柿。


Cook-Torrance光照模型

上面所說模型都只能運用在理想的材質下,要么理想漫反射等恐,要么理想鏡面反射洲劣,這樣渲染出來的物體就很假,真實的情況是漫反射和鏡面反射都需要依據(jù)材質特征和物體表面微平面分布(Microfacet Distribution)特征课蔬。

實際漫反射囱稽、鏡面反射與理想漫反射、鏡面反射的示意圖

Cook-Torrance 光照模型將物體粗糙表面( rough surface)看作由很多微小平面(微平面)組成二跋,每一個微平面都被看作一個理想的鏡面反射體战惊,物體表面的粗糙度由微平面斜率的變化來衡量。一個粗糙表面由一系列斜率變化很大的微平面組成扎即,而在相對平滑的表面上微平面斜率變化較小吞获。

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