TA学习之路——2.4 图形传统光照模型详解

1.光照模型

1.1 初识光照模型

光照模型（illumination model)。也称为明暗模型，用于计算物体某点处的光强（颜色值）。从算法理论基础而言，光照模型分为两类：一种是基于物理理论的，另一种是基于经验模型的。

基于物理理论的光照模型（PBR）：偏重于使用物理的度量和统计方法，效果非常真实，但是计算复杂，实现起来也较为困难。

经验模型(Lambert、Billing-phone)：是对光照的一种模拟，通过实践总结出简化的方法，简化了真实的光照计算，并且能达到很不错的效果。

1.2 为什么需要光照模型？

现实世界的光照是极其复杂的，而且会受到诸多因素的影响，有限的计算能力无法完全模拟。使用简化的光照模型对现实的情况进行近似，使得计算处理起来会更容易，并且令效果更符合需求。这些光照模型就是基于我们对光的物理特性的理解。

1.3 光照模型的发展

2.局部光照模型的定义

局部光照模型只关心直接光照部分，即直接从光源发出并照射到物体表面并反射至摄像头的光线。

局部光照模型：

全局光照模型：

3.局部光照模型的组成

局部光照模型满足叠加原理，可以基本将光线分为四个部分
1.漫反射
2.高光反射
3.环境光
4.自发光

3.1 漫反射

3.1.1 什么是漫反射？

在光照模型的定义中，当光线从光源照射到模型表面时，光线均匀被反射到各个方向，这种现象就是漫反射在漫反射的过程中，光线发生了发生了吸收和散射，而因此改变颜色和方向。

3.1.2 如何计算？

漫反射光照符合Lambert定律，反射光强与法线和光源方向之间的夹角的余弦值成正比

3.1.3 Lambert余弦定律

理论基础
在光学中通常使用辐射度来量化光。
其中光源每秒发出的能量为辐射通量$P$
单位面积接受的光量为辐射通量密度（辐照度）$P/A$
当光源垂直照射的单位面积的辐照度为$E_1=P/A$
将光束以某个角度照射到更大的平面上的辐射度为$E_2=P/A_2$
可以认为$A_1$与$A_2$的关系是
$$cos\theta =\frac{A_1}{A_2}$$
$$E_2=\frac{P}{A_2}=\frac{P}{A_1}cos\theta =E_{1}cos\theta =E_1$$