“反射模型”和“光照模型”

這兩個概念好像經常被等價使用。作者為了更好理解其他相關概念，對“反射模型”和“光照模型”做如下區分：（將“光反射”分成三個部分：入射光、入射光和表面的相互作用、反射光）

“光照模型”：模擬的是“入射光”。研究的是入射光的組成。影響入射光的因素有：環境光的屬性、光源的屬性。

“反射模型”：模擬的是“入射光和表面的相互作用”。研究的是入射光是怎麼和表面相互作用變成反射光的。影響反射光的因素有：入射光的屬性、表面的物理屬性。

咱先學習反射模型。

學習反射模型的思路是這樣的：

第一步，概述。對反射光建立感官上的認識。最重要的是明白：反射光是由漫反射光和鏡面反射光兩部分組成。（注意是“兩部分”不是“兩類”，意思是任何反射光中都同時包含漫反射光和鏡面反射光）。

第二步，反射原理。分析漫反射的原理，模擬漫反射光；分析鏡面反射，模擬鏡面反射光。

第三步，BRDF。引入輻射學的概念，用BRDF來描述物體表面對光的反射特性。

第四步，C++實現。用C++分別實現表面對光的漫反射BRDF和鏡面反射的BRDF，然後根據各自的BRDF和入射光得到各自的反射光。

概述。先看一張圖：

該圖說明如下幾個問題：

1，反射光是由兩部分組成：漫反射光、鏡面反射光；

2，對於自身不發光的物體，之所以能過被看見，是因為其表面的漫反射；

3，漫反射在各個方向的反射率是一樣，是均勻反射的；

4，鏡面反射的反射率比漫反射的反射率要高得多（如上圖中紅色圈內示意），所以對應的反射光成為“高光”；

68.1.1.1 光

光由光子組成。光子具有波粒二相性。也就是說光子即具有波的特性，也具有粒子的特性。關於波的特性，我們會考慮它的波長、頻率、能量。通過觀察和測量，這三者有如下關係。

由如上關係，可以看出：

1，波長越大，頻率越小；波長越小，頻率越大。

2，一個光子的能量：頻率越大，能量越多；頻率越小，能量越少。

另外，其中波長在大概400nm到700nm之間的光是能被人眼看到的，所以，這個範圍的光成為“可見光”。不同頻率的可見光被人眼感知為不同的顏色：頻率越高的光偏藍，頻率低的光偏紅。

借圖：

我們日常見到光一般都是由多種不同頻率的光混合而成。比如說白光。當一束白光經過一個稜鏡時，由於不同頻率的光對應不同的折射率，所以會發生色散。

這個現象也證明了，白光是由多種不同頻率（顏色）混合而成。

怎麼描述這種混合光中不同頻率的光的多少呢？這個“多少”指的是該頻率的光的光子的個數。前面我們有計算一個光子的能量，所以，這個“多少”也是指該頻率的光的總能量。

我們借用“頻譜”的概念。頻率圖描述的就是混合光中各種頻率（波長）的光的能量分佈情況。頻譜圖大概長這個樣子：

68.1.1.2 光和物體表面的相互作用

光和物體相互作用時，會發生散射。對於透明物體散射分為反射和折射；對於不透明物體散射只有反射。我們這裡暫時只考慮不透明物體。

物體表面是有一定厚度的。鏡面反射發生在表面的上面，相當於光子直接從表面彈回；漫反射發生在物體的表面裡面，光子和表面裡面的原子相互作用。

上圖在畫漫反射光線時，為了突出光子和表面裡面的原子相互作用，畫的有些誇張，實際情況差不多應該是這樣子（出射點基本可以認為是一點）：

估計很多童鞋會發現一個問題，為什麼鏡面反射光線會有三條？？？？

先簡單回答一下：因為表面的上表面不是理想光學鏡面（不是特別特別特別平）。

又要重複貼圖了。如之前環境中的球。

通過漫反射光看到的是這個樣子：

通過鏡面反射光看到的是這個樣子：

通過漫反射光和鏡面反射光看到的是這個樣子：

我們已經知道，反射光由漫反射光和鏡面反射光兩部分組成。

反射模型要做的事情就是：分別模擬這兩部分光的強度和方向。

未完待續~~

Reference：

[1]. Kevin Suffern, Ray Tracing from theGround Up, A K Peters Ltd, 2007.

[2]. Andrew S. Glassner, An Introduction toRay Tracing, Xerox PARC, 1989.

[3]. Tomas Akenine-Moller, Eric Haines, NatyHoffman, Real-Time Rendering, A K Peters Ltd, 2008.

[4]. Peter Andrew Walker, A VisualizationSystem fro Bidirectional Reflectance Distribution Functions, University ofOregon, 1999.