光照到底是什么？
预计阅读时间: 10 分钟1. 颜色基础
1.1 颜色的本质
物体的颜色是由物体反射出来的光决定的，也就是物体不吸收的部分颜色，才是物体的颜色，或者说被认为是物体的颜色。
在图形学中，物体颜色的定义：物体从一个光源反射各个颜色分量的大小。这个反射分量代表了物体的颜色，表示在白光下物体看起来的颜色；在其它颜色的光源下，则表现不同。
2. 光照原理
所谓的亮和暗，都是通过物体显示的颜色变化来表现的，所谓的光，不过是一个显示颜色的数值比例，根本没有光。
2.1 光照与渲染
不同的物体在不同的光下有不同的颜色表现。这意味着：
- 为了实现不同光照的模拟，我们使用冯氏光照模型来近似描述光 → 光照的三个分量既可以认为是颜色值，也可以认为是对白色光的反射率
- 为了模拟不同物体对光的反应，需要对物体的材质使用冯氏模型进行细粒度描述 → 光照贴图
- 通过在片元着色器中，光的三个分量与物体的三个分量分别计算后叠加，得到最终的颜色
- 光照模型就是在光源和物体两个方面都细粒度描述光照效果
2.2 冯氏光照模型
现实世界的光照极其复杂，计算机图形学只能使用一些简化的模型来近似模拟，其中冯氏光照模型最为常用。
2.2.1 光照组成部分
冯氏光照模型包含三个分量：
-
环境光照 (Ambient Light)
- 各个方向的微弱光线
- 通常来自不同物体的反射
- 设置一个常量值来模拟
-
漫反射光照 (Diffuse Lighting)
- 冯氏光照模型中视觉上最显著的分量
- 模拟光照对物体的方向性影响
- 与观察角度无关
-
镜面光照 (Specular Lighting)
- 有光泽物体表面上的亮点
- 镜面光照的颜色相比物体颜色更倾向于光线本身的颜色
- 与观察角度相关，需要计算物体是否在光线照射的半径内
3. 光照计算空间
在世界空间中计算光照的原因：
- 光源位置在世界空间中更容易计算光照方向
- 面的法向量也需要转换到世界矩阵中
- 计算结果可以传递给片元着色器计算最终颜色
更常见的做法是在观察空间中计算光照，但在哪个空间中计算都不会影响最终结果。
4. 冯氏光照模型详解
4.1 环境光照 (Ambient Lighting)
真正去实现模拟环境光源开销巨大且价值不大，因此我们采用简化方式：
- 使用光的颜色乘以一个很小的环境因子
- 再乘以物体的颜色来模拟环境光
- 这样只需要在片元着色器中进行一次计算即可达到效果，性能好
- 注意：片元着色器的数量比顶点着色器多得多！
4.2 漫反射光照 (Diffuse Lighting)
需要的条件：光线的方向、表面法向量
漫反射一般为固定方向的光线对物体的影响，所以光线与面的相交角度对亮度影响很大，可以通过法向量计算：
- 定义光源位置和颜色
- 将顶点转换成世界坐标，并计算顶点所在面的法向量
- 结合光源位置计算光线向量，从而计算漫反射分量
- 注意：负数颜色无意义，最小值取0
- 使用单位向量进行计算，需要标准化
- 计算漫反射值并与其他光照值结合
- 漫反射分量与物体颜色相乘得到最终颜色
4.3 镜面光照 (Specular Lighting)
镜面光照计算需要一个额外的观察向量，不同角度观察时镜面反射的光照强度不同。原理是计算反射角与观察向量的夹角来分配不同的光照强度。
反光度(Shininess)：
- 反光度越高，反射光的能力越强
- 散射得越少，高光点就会越小
- 通常用一个指数值来控制
4.4 光照计算的位置选择
在光照着色器的早期，开发者曾在顶点着色器中实现冯氏光照模型：
- 优势：顶点数量远少于片段，计算频率更低，效率更高
- 劣势：顶点着色器中的最终颜色值仅是那个顶点的颜色值，片段的颜色值由插值得来，光照效果不够真实，除非使用大量顶点
一般情况下，顶点着色器中的计算次数比片段着色器中少得多，因为片段着色器处理所有像素，而顶点着色器只处理顶点。
5. 法线向量
法线向量是垂直于片元表面的向量，对于光照计算至关重要。
5.1 法线矩阵
为了消除不等比缩放等操作对法线的影响(导致法线向量不再垂直于片元表面)，需要使用特殊的法线矩阵。
法线矩阵作用于法线向量，确保其在变换后仍然垂直于表面。
6. 投光物类型
6.1 定向光 (Directional Light)
定向光模拟远距离光源（如太阳），具有以下特点：
- 所有光线平行，方向一致
- 无需计算光照衰减
- 物体与光源的相对位置不影响光照效果
6.2 点光源 (Point Light)
点光源是一个具体位置的光源，向四周发射光线：
- 需要计算光源位置到物体的方向
- 具有光照衰减效果
- 可以选择线性或非线性衰减
- 向所有方向均匀发射光线
6.3 聚光灯 (Spot Light)
聚光灯是一种特殊的点光源，只在特定角度范围内发射光线：
- 具有特定的照射范围（由切光角决定）
- 需要计算光源位置和方向
- 具有光照衰减效果
- 仅在指定方向的锥形区域内照射
6.4 光照衰减
光照衰减(Attenuation)是指光线强度随传播距离增加而减弱的现象：
- 通常使用二次方程而非线性方程计算衰减
- 衰减因子随距离增加而减小
- 影响最终的光照强度
6.5 聚光灯边缘软化
为了避免聚光灯边缘过于生硬，通常采用双圆锥过渡技术：
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内圆锥
- 光照强度保持为1
- 完全照亮的区域
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过渡区域
- 在内圆锥和外圆锥之间
- 光照强度从1平滑过渡到0
- 创造自然的光照边缘效果
-
外圆锥外
- 仅保留少量环境光
- 完全不受聚光灯影响的区域