光与物质：基于物理的渲染与着色理论光是一种复杂的现象，它同时展现出波与粒子两种特性。于是，为了描述光的表现特性，人们建立了各种模型。作为材质艺术家，我们感兴趣的是光线模型（Light Ray Model）因为它描述了光与物质的交互作用。 对我们来说，理解光线如何与物质表面交互非常重要，因为我们的工作是创作描述物体表面的材质。我们创作出的纹理与材质在虚拟世界中与光交互，对光线表现特效理解的越多，创作出的材质就会更好。在这篇指南中，我们会讨论物理理论，而基于物理的渲染(physically-based rendering)(PBR)模型正是建立在其上的。我们从光线开始，逐步讲解到PBR中的关键点。 当光线击中一个表面时，以下的两件事情至少会发生一 件，或同时发生： 1.光线在该表面上反射，并沿另一个方向传播。它遵从

反射定律，即反射角等于入射角（反射光）。

2.光线沿直线轨迹从一个介质传播到另一个介质中（折

射光）。

此时，我们可以说，光线分成了两个方向：反射与折射。

在该表面上，光线被反射或折射并最终由两种介质之一

所吸收。然而，吸收并不发生在该表面处。

光线模型阐明，光线在均匀透明介质（如空气）中的轨

迹为直线。光线模型同时也阐明，当光传播遇到表面时，

例如遇到不透明物体或穿过不同介质如从空气折射入水

中，光的表现是可预测的。这样，当光从一个起点传播

到某点最终转换为其他形式例如热时，我们可以将它的

轨迹视觉化。

击中一个表面的光线称为入射光，而它击中的角度称为

入射角，如图01所示。

一条光线射入两个不同介质间的平面交界面。

吸收与散射（透明与半透明）

漫反射与镜面反射

在不均匀的介质或半透明材质中传播时，光会被吸收

或散射：

1.吸收，随着光转化为其他形式的能量（通常转化为热

能）光的强度衰减，并且依据不同波长的光被吸收的总

量，光的颜色也发生改变，但光线的方向不变。

2.散射，光线的方向随机变化，偏移量依材质而定。散

射会随机改变光的方向但光的强度不变。耳朵是一个很

好的例子。耳朵很薄（光线吸收较少），于是你可以观

察到散射后的光线从耳朵背面贯穿而出。如果不发生散

射并且吸收较少，光线可以直接穿过该表面如玻璃。举

个例子，当你在泳池游泳时，池水足够干净，你可以睁

开双眼并且在清澈的水中看到很远的距离。然而，该泳

池有一段时间没有清理，池水变脏时，水中的灰尘粒子

将会散射光线并因此使得水的清晰度降到很低。

光在这样的介质/材质中传播的越远，被吸收以及/或者

散射的就越多。因此，物体厚度在决定光被吸收或散射

的多少上起很大作用。可以在shader（着色器）中使用

一张厚度贴图来描述物体厚度，如图02。

物体厚度在决定光被吸收或

散射的多少上起很大作用

漫反射与镜面反射

在不均匀的介质或半透明材质中传播时，光会被吸收

或散射：

1.吸收，随着光转化为其他形式的能量（通常转化为热

能）光的强度衰减，并且依据不同波长的光被吸收的总

量，光的颜色也发生改变，但光线的方向不变。

2.散射，光线的方向随机变化，偏移量依材质而定。散

射会随机改变光的方向但光的强度不变。耳朵是一个很

好的例子。耳朵很薄（光线吸收较少），于是你可以观

察到散射后的光线从耳朵背面贯穿而出。如果不发生散

射并且吸收较少，光线可以直接穿过该表面如玻璃。举

个例子，当你在泳池游泳时，池水足够干净，你可以睁

开双眼并且在清澈的水中看到很远的距离。然而，该泳

池有一段时间没有清理，池水变脏时，水中的灰尘粒子

将会散射光线并因此使得水的清晰度降到很低。

光在这样的介质/材质中传播的越远，被吸收以及/或者

散射的就越多。因此，物体厚度在决定光被吸收或散射

的多少上起很大作用。可以在shader（着色器）中使用

一张厚度贴图来描述物体厚度，如图02。

物体厚度在决定光被吸收或

散射的多少上起很大作用

图

vol. 1 - 光与物质：基于物理的渲染与着色理论

镜面反射是直接从表面反射的光，正如我们在前面光线

部分中讨论过的。光线从该表面反射并沿另一方向传播。

它遵从反射定律，即在理想平面上反射角等于入射角。

然而，重要的是，大部分表面并不规则，并且因此反射

方向会依据表面的粗糙度随机变化。这一现象会改变光

的方向，但光的强度保持不变。

粗糙表面会呈现更大更暗的高光。光滑表面会保持镜面

反射聚焦程度，因而当从合适角度观察时，表面会显得

更明亮或光强度更高。然而，在这两种情况中反射光的

总量相同，见图03

漫反射是经过折射后的光。光线穿过一个介质到另一个

介质并在物体内部散射许多次。随后它再次被折射出该

物体，返回到原先的介质中，而二次折射的位置与首次

折射近似在同一个点，如图04。

漫反射材质吸收性非常强，这意味着当折射光在该材质

内部传播的足够远时，它很有可能被完全吸收。这表明

当光线能够从该材质中再次折射出来时，它可能并没有

离开入口点传播很远。这正是入口点与出口点间的距离

可以被忽略不计的原因。Lambertian（朗伯特）模型，

即在传统的着色观念中经常使用的漫反射模型，并不将

表面粗糙度考虑在内，但存在一些漫反射模型将它考虑

在内，例如Oren-Nayar模型。

同时具有高散射以及低吸收的材质有时被称作“参与介

质”或“半透明材质”。例如烟、牛奶、皮肤、翡翠以

及大理石。渲染后三种材质也许可以通过附加次表面散

射模型来实现，在次表面散射模型中，光线入口点和出

口点之间的差异不再被忽略。精确渲染一些变化剧烈，

并且散射和吸收都很低的介质，如烟或雾，需要一些资

源开销更大的算法例如蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟。