引言

前置阅读：建议先阅读向量（点积）和渲染管线。

光照是计算机图形学的灵魂。虽然现代引擎使用复杂的 PBR (Physically Based Rendering)，但理解经典的光照模型仍然是基础。 经典光照模型通常由三部分组成： \[ Color = Ambient + Diffuse + Specular \]

1. 漫反射 (Diffuse) - Lambert

漫反射模拟的是粗糙表面（如砖墙、布料）对光的散射。 光线照射到表面后，向四面八方均匀反射。 强度取决于光线方向 \(\vec{L}\) 与表面法线 \(\vec{N}\) 的夹角。

\[ I_{diffuse} = \max(0, \vec{N} \cdot \vec{L}) \]

• 当光线垂直表面 (\(\theta = 0^\circ\))，\(\cos\theta = 1\)，最亮。
• 当光线平行表面 (\(\theta = 90^\circ\))，\(\cos\theta = 0\)，无光。
• 背面光照会被 \(\max(0, \dots)\) 截断为 0。

2. 镜面反射 (Specular) - Phong

镜面反射模拟的是光滑表面（如金属、塑料）的高光 (Highlight)。 它取决于观察方向 \(\vec{V}\) 和反射方向 \(\vec{R}\) 的夹角。

\[ \vec{R} = \text{reflect}(-\vec{L}, \vec{N}) \] \[ I_{specular} = (\max(0, \vec{R} \cdot \vec{V}))^{shininess} \]

• Shininess (光泽度): 指数越高，高光点越小越亮（越光滑）。

3. 改进模型 - Blinn-Phong

Phong 模型有一个缺点：计算反射向量 \(\vec{R}\) 比较昂贵。 Jim Blinn 提出了一种优化：使用半程向量 (Halfway Vector) \(\vec{H}\)。 \(\vec{H}\) 是光线方向 \(\vec{L}\) 和观察方向 \(\vec{V}\) 的中间向量。

\[ \vec{H} = \text{normalize}(\vec{L} + \vec{V}) \] \[ I_{specular} = (\max(0, \vec{N} \cdot \vec{H}))^{shininess} \]

• 优点: 计算 \(\vec{H}\) 比 \(\vec{R}\) 快。
• 效果: 高光看起来更柔和、更真实，是 OpenGL/DirectX 固定管线的默认选择。

4. 环境光 (Ambient)

为了模拟间接光照（光线在墙壁间反弹），经典模型简单地加上一个常数颜色。 \[ I_{ambient} = K_a \] 这是一种非常粗糙的近似，现代游戏通常使用全局光照 (GI) 或环境光遮蔽 (AO) 来替代。

5. PBR 基础 (Physically Based Rendering)

PBR 是一个庞大的主题，但掌握核心概念对游戏开发者至关重要。本节覆盖能量守恒、菲涅尔效应和 Cook-Torrance BRDF 的整体结构。如果你想深入学习 PBR，推荐 Google 的 Filament 文档 和 Naty Hoffman 在 SIGGRAPH 的演讲。

现代游戏引擎（Unity URP/HDRP, Unreal）默认使用 PBR。它比 Blinn-Phong 更符合物理规律。

能量守恒 (Energy Conservation)

出射光线的能量不能超过入射光线的能量。 漫反射和镜面反射是互斥的：光线要么进入物体内部（漫反射），要么被表面反弹（镜面反射）。 \[ k_D + k_S \le 1 \] 物体越光滑（金属），镜面反射越强，漫反射就越弱（看起来越黑）。

菲涅尔效应 (Fresnel Effect)

观察一下你身边的物体（比如桌子或手机屏幕）。当你垂直看它时，反光可能不强；但当你以近乎平行的角度（掠射角）看它时，反光会变得非常强烈，像镜子一样。 这就是菲涅尔效应。 Schlick 近似公式： \[ F(\theta) = F_0 + (1 - F_0)(1 - \cos\theta)^5 \] 其中 \(F_0\) 是基础反射率（垂直观察时的反射率）。不同材质的 \(F_0\) 差异巨大——非金属通常在 0.02–0.05 之间，金属则可以达到 0.5–1.0。

Cook-Torrance BRDF

PBR 的镜面反射部分通常使用 Cook-Torrance 微表面 BRDF：

\[ f_{spec} = \frac{D \cdot G \cdot F}{4(\vec{N} \cdot \vec{L})(\vec{N} \cdot \vec{V})} \]

三个核心项各自描述了一种物理现象：

分母 \(4(\vec{N} \cdot \vec{L})(\vec{N} \cdot \vec{V})\) 是校正因子，确保 BRDF 在数学上保持能量守恒。

最终的光照方程将漫反射和镜面反射组合起来： \[ L_o = (k_D \frac{c}{\pi} + f_{spec}) \cdot L_i \cdot (\vec{N} \cdot \vec{L}) \] 其中 \(c\) 是表面颜色 (albedo)，\(L_i\) 是入射光辐照度。

6. 材质参数参考 (Material Parameters)

下表列出了常见材质的 PBR 参数，对美术和 Shader 开发者非常实用：

注意：非金属的 \(F_0\) 是单通道灰度值（通常 0.02–0.05），金属的 \(F_0\) 是 RGB 三通道（因为不同波长的反射率不同，这正是金属呈现颜色的原因）。

业界存在两种主流 PBR 工作流，了解它们的区别有助于跨引擎协作和资产迁移。

Metallic/Roughness 工作流

这是 Unity Standard Shader 和 Unreal Engine 4/5 的默认工作流。

• BaseColor (Albedo): 非金属 → 表面固有色；金属 → 充当 \(F_0\)（反射颜色）。
• Metallic: 0 或 1（二值化）。中间值（如 0.5）在物理上没有意义，只用于过渡区域（如生锈边缘）。
• Roughness: 0 = 完美镜面，1 = 完全粗糙。

Specular/Glossiness 工作流

较早的工作流，部分引擎仍支持（如 Unity 的 Specular Setup）。

• Diffuse: 与 BaseColor 类似，但金属的 diffuse 为黑色。
• Specular: 直接指定镜面反射颜色（即 \(F_0\)），给予美术更多自由度，但也更容易违反物理规则。
• Glossiness: 与 Roughness 相反，Glossiness = 1 - Roughness。

对比表

实践建议：新项目统一使用 Metallic/Roughness 工作流。它更简洁，不容易出错，引擎支持最广泛。

8. Shader 调试技巧

光照效果不对是 Shader 开发中最常见的问题。以下是几种典型症状和排查方法：

一个非常实用的调试手法：在 Fragment Shader 中临时输出中间变量作为颜色，例如：

// 可视化法线方向
FragColor = vec4(N * 0.5 + 0.5, 1.0);

// 可视化 NdotL（漫反射贡献）
float NdotL = max(dot(N, L), 0.0);
FragColor = vec4(vec3(NdotL), 1.0);

// 可视化 Fresnel
float fresnel = pow(1.0 - max(dot(N, V), 0.0), 5.0);
FragColor = vec4(vec3(fresnel), 1.0);

9. Shader 代码示例 (HLSL/GLSL)

// 输入: N (法线), L (光照方向), V (观察方向)
vec3 N = normalize(Normal);
vec3 L = normalize(LightDir);
vec3 V = normalize(ViewDir);

// Diffuse
float diff = max(dot(N, L), 0.0);

// Specular (Blinn-Phong)
vec3 H = normalize(L + V);
float spec = pow(max(dot(N, H), 0.0), 32.0);

// Result
vec3 color = (ambient + diff + spec) * objectColor;

10. 总结

• 点积再次成为主角，用于计算光照强度。
• Blinn-Phong 是对 Phong 的一种高效近似，至今仍被广泛使用。
• Cook-Torrance BRDF 是现代 PBR 镜面反射的核心，由 NDF、几何遮蔽和菲涅尔三项组成。
• 掌握 材质参数 和 工作流差异 能帮你在引擎中快速调出正确的材质效果。
• 遇到光照 Bug 时，善用 中间变量可视化 是最高效的调试手段。

< 上一篇: 渲染管线 | 回到目录 | 下一篇: 曲线数学 >