【光照】基础光照
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【光照】基础光照
创建时间：2021/2/23 17:59
- 【光照】基础光照
- 基础光照
- 术语和概念
- 辐照度和出射度
- 散射(Scattering)和吸收(absorption)
- 高光反射和漫反射
- 着色与光照模型
- 直接光照与间接光照
- 其他术语
- 光照模型
- 标准光照模型(Blinn - Phong光照模型)
- 自发光(emissive)
- 高光反射(specular)
- 漫反射(diffuse)
- 环境光(ambient)
- Unity中的应用
- BRDF
- 标准光照模型(Blinn - Phong光照模型)
- 术语和概念
- 实践应用
- 逐像素还是逐顶点
- 逐像素光照(per-pixel lighting)
- 逐顶点光照(per-vertex lighting)
- 游戏场景中灯光照明的构成
- lightmap
- 光照烘焙
- Unity场景光照烘焙步骤
- 光照烘焙
- 逐像素还是逐顶点
- Ref
- 基础光照
基础光照
术语和概念
辐照度和出射度
辐照度（ irradiance）—— 对于平行光L来说，可以通过计算在垂直于L的单位面积上单位时间内穿过的能量来得到。
辐照度与物体表面光线之间的距离成反比，距离越大，强度越小。即，与d/cos成反比，与cos成正比。
出射度（exitance）——根据入射光线的数量和方向，可以计算出射光线的数量和方向。
辐照度和出射度满足线性关系，他们的比值就是材质的漫反射和高光反射属性
散射(Scattering)和吸收(absorption)
散射：改变方向 吸收：改变颜色和密度
高光反射和漫反射
高光反射(specular) —— 我们只考虑某一个特定方向的高光反射
漫反射(diffuse)—— 我们假设漫反射部分是没有方向的
着色与光照模型
着色(Shading)： 根据材质属性(漫反射属性等)、光源信息(光源方向、辐照度等)，使用一个等式取计算沿某个观察方向的出射度的过程。
把这个等式称为 光照模型 (Lighting Model)。
直接光照与间接光照
直接光照(direct light) - 照射到物体表面，经过一次反射直接进入摄像机的光线。
间接光照(indirect light) - 光线进入摄像机之前，经过了不止一次物体反射
其他术语
环境光（Ambient Lighting）：环境光是来自周围环境整体的散射光，为处于环境中的所有物体提供照明。
阴影（Shadow）：光影通常具有方向性，也指向了光源方向。
明暗变化（Shading）：是特定图像在不同区域展现出来的不同的光的明暗度。举个例子，同一个物体在同一个场景中，表面光的情况也会随着观察者角度的变化、环境光强度的变化而变化。
镜面高光（Specular highlight）：通过直接光源的照射，物体表面会反射高光点。这种物体表面的高光会随着观察者的位置而发生变化。
反射（Reflection）：光的反射会根据物体表面是否具有镜面或漫反射的特性而略有不同。例如，一个金属球将具有较高的镜面反射能力，并映出周围环境中的事物。相反，如果球的表面是磨砂材质，灰色，则照到球表面上的光会被散射。现实生活中的很多物体通常兼具镜面反射和漫反射特点，比如一个磨损的保龄球、一张使用很久的信用卡。
光照模型
标准光照模型(Blinn - Phong光照模型)
裴祥风（ Bui Tuong Phong）
只关心直接光照。 进入摄像机内的光线分为4个部分，每个部分使用一种方法来计算他的贡献度。
自发光(emissive)
如果没有使用全局光照(Global illumination)技术，自发光表面并不会真的照亮周围的物体。
高光反射(specular)
描述当光线从光源照射到模型表面时， 该表面会在完全镜面反射方向散射多少辐射量。 经验模型，不完全符合真实世界
Phong模型
Mgloss —— 材质的光泽度(gloss), 反光度(shininess)
Mspecular —— 材质的高光反射颜色
反射方向可用表面法线n和光照方向l计算：
Blinn模型 避免计算反射方向 r。
如果摄像机和光源距离模型足够远的话 Blinn 模型 会快于Phong 模型 —— v和l都是定值，h是一个常量
如果v或者l不是定值，Phong模型可能反而更快
两个都是经验模型，不存在哪个“更正确”，一些情况下，Blinn模型更符合结果。
漫反射(diffuse)
描述被物体表面随机散射到各个方向上的辐射度。 可以认为在任何反射方向上的分布都是一样的，但是入射光线角度很重要。
兰伯特定律(Lambert’s law) : 反射光线强度与表面法线和光源方向之间的夹角的余弦值成正比。
半兰伯特光照(HalfLambert) （没有物理依据，只是一个视觉加强技术）
把cos的值从[-1, 1]映射到[0, 1]。
环境光(ambient)
描述其他所有的间接光照
Unity中的应用
环境光： 场景的环境光 - Lighting设置中，Ambient Source/ Ambient Color/ Ambient Intensity中控制，Shader内置变量 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT获取
自发光：在fragment Shader输出最后颜色之前，把材质的自发光颜色添加到输出颜色上即可
（”Lighting.cginc”中）_LightColor.0 - 该Pass处理的光源的颜色和强度信息 _WorldSpaceLightPos0.xyz - 单一平行光的方向
BRDF
BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function) - 是一个经验模型。
为了更加真实的模拟光和物体的交互，出现了基于物理的BRDF模型。
实践应用
逐像素还是逐顶点
逐像素光照(per-pixel lighting)
在片元着色器中计算，以像素为基础，得到法线。
顶点法线插值 —— Phong插值着色(Phong shading)技术，法线插值着色技术
法线贴图采样
逐顶点光照(per-vertex lighting)
在顶点着色器中计算 高洛德着色(Gouraud shading) - 顶点上计算光照后，在渲染图元内部进行线性插值，输出成像素颜色。
如果光照模型中有非线性的计算（高光反射）时，逐顶点光照就会出问题。
渲染图元内部进行插值，会导致渲染图元内部的颜色总是暗于顶点处的最高颜色值，在某些情况下会产生明显的棱角现象。
游戏场景中灯光照明的构成
光照计算方案分类：
直接模拟光线从被光源发出到最终被物体完全吸收的正向过程，也就是常说的GI（Global Illumination）；
不直接模拟光线，而是反向搜集物体表面特定点的受光照强度来模拟现实照明效果，也就是常说的FG（Final Gathering）;
完全不考虑光线的行为，单纯基于“物体上与其他物体越接近的区域，受到反射光线的照明越弱”这一现象来模拟模拟现实照明（的一部分）效果，也就是常说的AO（Ambient Occlusion）；
将场景光照结果完全烘焙到模型贴图上，从而完完全全的假冒现实光照效果，也就是我们所说的Lightmap。
不论是GI还是FG，计算量都是非常大的，一帧图片需要几十分钟甚至几十小时来渲染，所以很难被应用在游戏设计领域。因此在游戏设计领域，光照贴图技术依然是目前的主流方式。
由于光照贴图需要事先烘焙（baking）出来，且仅支持静态物体（Static Object），而我们的游戏场景中几乎不可能全都是静态物体，所以通常游戏场景中的灯光照明是多种照明方式的混合作用。
对于静态物体来说，大多使用光照贴图来模拟间接光的照明效果，然后加上直接光源的动态照明效果；
对于运动物体来说，则仅用直接光源的动态照明效果，或者使用光照探针来模拟间接光的照明效果。
lightmap
A lightmap is a data structure used in lightmapping, a form of surface caching in which the brightness of surfaces in a virtual scene is pre-calculated and stored in texture maps for later use.
光照烘焙
当我们进行游戏时，有些场面避免不了使用大量灯光渲染。大量的灯光渲染对于计算机来说无疑是个负担，为了尽量节省计算机的显卡资源，对于一些静态的不动的物体，可以采用烘培的方法，把灯光的效果，制作成游戏物体纹理的一部分，这样即使没有灯光的渲染。该游戏物品也会呈现一样的视觉效果。
Unity场景光照烘焙步骤
创建物体和灯光
把所有要渲染的游戏对象全选，在Inspecto面板里面单击Static选项，选择Lightmap static（新版本为Contribute GI）
将需要烘焙的光源的Mode模式改为Baked
window -> RenderingLighting -> Lighting Settings，Generate Lighting。