说明

【跟月影学可视化】学习笔记。

光照效果简介

物体的光照效果是由光源、介质（物体的材质）和反射类型决定的，而反射类型又由物体的材质特点决定。

在 3D 光照模型中，根据不同的光源特点分为四种：

• 环境光（Ambient Light）：指物体所在的三维空间中天然的光，它充满整个空间，在每一处的光照强度都一样。
  • 特点1：在空间中均匀分布，在任何位置上环境光的颜色都相同
  • 特点2：环境光没有方向，与物体的材质有关
• 平行光（Directional Light）：平行光是朝着某个方向照射的光，能够照亮几何体的一部分表面，它属于有向光。
• 点光源（Positional Light）：指空间中某一点发出的光，与方向光不同的是，点光源不仅有方向属性，还有位置属性。
• 聚光灯（Spot Light）：与点光源相比，聚光灯增加了方向以及角度范围，只有在这个范围内，光线才能照到。

点光源跟平行光的示意图：

聚光灯示意图：

有向光在与物体发生作用的时候，根据物体的材质特性，会产生两种反射类型：

• 漫反射（Diffuse reflection）
• 镜面反射（Specular reflection）

漫反射示意图：

一个物体最终的光照效果，是漫反射、镜面反射以及环境光叠加在一起的效果，示意图如下：

如何给物体增加环境光效果？

环境光没有方向，物体表面反射环境光的效果，只和环境光本身以及材质的反射率有关。

物体在环境光中呈现的颜色的公式如下：（环境光的颜色为 L，材质对光的反射率为 R。）

下面实现给物体增加环境光效果：

如何给物体增加平行光效果？

有向光的漫反射在各个方向上的反射光均匀分布，反射强度与光的射入方向与法线的夹角的余弦成正比。

下面实现给物体增加平行光效果：

加了平行光线之后，我们可以感受到明显的阴暗变化，效果如下：

如何给物体添加点光源？

计算点光源的光照，要先根据光源位置和物体表面相对位置来确定方向，然后再和平行光一样，计算光的方向和物体表面法向的夹角。

点光源的衰减

真实世界中，点光源的光照强度会随着空间的距离增加而衰减。我们需要模拟一个衰减系数出来。

衰减系数等于一个常量 d0d_0d0​​（通常为 1），除以衰减函数 P。衰减函数可以用一个二次多项式 P 来描述，公式如下：

• A、B、C 为常量
• z 是当前位置到点光源的距离

然后利用光线到点坐标的距离，用来计算衰减，实现如下：

衰减对比效果如下：光线强度随着距离衰减，可以右边较远的几何体几乎没有光照。

如何给物体添加聚光灯效果？

与点光源相比，聚光灯相对来说比较复杂，要用 5 个参数来描述：

1. spotLightColor 聚光灯颜色
2. spotLightPosition 聚光灯位置
3. spotLightDecayFactor 聚光灯衰减系数
4. spotLightDirection 聚光灯方向
5. spotLightAngle 聚光灯角度

利用聚光灯方向和角度，就可以求法向量与光线方向夹角的余弦值，这个值可以判断坐标是否在夹角内，最终的光照效果就只会出现在光照的角度内。

大致的效果如下：可以明显的感受到聚光灯的效果