3D反射的奧秘大揭秘，不好找到啊

3D反射的奧秘大揭秘，不好找到啊，需要的趕緊學(xué)習(xí)一下吧，錯(cuò)過了別后悔啊哈哈

由于此篇理論性較強(qiáng)，本人水平實(shí)在有限，難免有許多疏漏和錯(cuò)誤，還請(qǐng)大家指出。下面開始。

01.概述

CGI技術(shù)是一門非常年輕而且發(fā)展迅速的科學(xué)。其它相關(guān)的還有許多技術(shù)也在很短的時(shí)間內(nèi)迅速的壯大，用于模擬自然現(xiàn)象，但它們只限于解決某一方面的問題，對(duì)我們來(lái)說選擇合適的技術(shù)來(lái)解決相應(yīng)的問題比較困難。出于人們認(rèn)識(shí)光與物質(zhì)相互作用的方式，一些主要的技術(shù)脫穎而出，這其中最常用的是工作于物體表面的技術(shù)，另外就是CGI技術(shù)的到來(lái)。它的原理是向場(chǎng)景里發(fā)射光線來(lái)收集必要的信息，重建真實(shí)自然現(xiàn)象的一個(gè)關(guān)鍵問題是需要大量的信息。假設(shè)在我們所處的環(huán)境里，包括看不見的地方，有大量帶有能量的光線穿過，它們?cè)趫?chǎng)景中哪怕是最狹小的地方以某種方式相互作用，這些光線的能量以不連續(xù)的形式存在（愛因斯坦光子說）。物體表面的原子會(huì)吸收光子使自已的能級(jí)升高，受到激發(fā)的不穩(wěn)定原子會(huì)自發(fā)的地回到最低能級(jí)，并將減少的那部分能量以光子的形式釋放出來(lái)，這些光子根據(jù)發(fā)射它原子的種類有特定的波長(zhǎng)。打個(gè)比方吧，太陽(yáng)光包含很多不同波長(zhǎng)的電磁波，但這里面只有一小部分能被我們的眼睛所識(shí)別。人造光源一般都有特定的顏色，因?yàn)樗鼈兒�有各自特定的元素。一個(gè)典型的鎢極光源發(fā)出的光有一定的頻率范圍，這就是我們看到的橙色。同樣，氖光源發(fā)出的光是綠色。

自然界的這種吸收和發(fā)出光能的現(xiàn)象無(wú)時(shí)無(wú)刻不在我們的身邊出現(xiàn)。我們的眼睛扮演著攝像機(jī)的角色，收集和識(shí)別從四面八方射過來(lái)的光線的波長(zhǎng)（顏色）和光子數(shù)量（強(qiáng)度）。我們看到的圖像正是在空間的某一點(diǎn)處眾多光線的靜止?fàn)顟B(tài)。前面的內(nèi)容僅僅從物理學(xué)的角度粗略的介紹了一下，但這樣就足夠了，我們沒有必要考慮更深一層的物理知識(shí)。這些內(nèi)容足已解釋我們看到的真實(shí)世界，今后的學(xué)習(xí)制作過程也足夠用了。

02.用CGI技術(shù)重現(xiàn)生活中的例子

前面說過每個(gè)原子都會(huì)吸收和發(fā)射光線，物體的顏色決定于反射光線的波長(zhǎng)和物質(zhì)原子的種類。入射光線反射后向四面八方散射，但要根據(jù)入射光線方向反射（否則反射也不會(huì)進(jìn)行），也許多物體不會(huì)直接在表面反射光線，像氣體。光線會(huì)在大多數(shù)物質(zhì)里傳播，并被物質(zhì)內(nèi)部的原子吸收和反射掉。像下圖中的蠟球，這種蠟物質(zhì)吸收除了綠色和黃色之外的所有波長(zhǎng)的光線（至少除黃綠色外的絕大多數(shù)光線），然后像大多數(shù)物體一樣作為綠光的發(fā)射物體（除了黑洞之外）。你們可以看到當(dāng)蠟球靠近光源后它顯現(xiàn)出黃綠色。

你們當(dāng)中很多人可能都知道，在過去的幾年中出現(xiàn)的很多光線跟蹤渲染器都能模擬在“電腦產(chǎn)生的表面內(nèi)部散射光線”，也叫做SSS（Sub Surface scattering)。很多渲染器都使用相似的原理，像GI中的采樣方式，在某一點(diǎn)發(fā)射多條光線到場(chǎng)景中，這些光線經(jīng)反射后攜帶了物體表面的顏色信息，以此來(lái)確采樣點(diǎn)的顏色，典型的例子-Monte Carlo。不同的渲染器在保證圖像質(zhì)量不變的前提下有不同的縮短渲染時(shí)間的方式，因?yàn)橛写罅康墓饩�信息需要收集。這之中有簡(jiǎn)單的采樣點(diǎn)插值算法過濾器；也有智能化的能識(shí)別物體邊緣尖銳部分的高級(jí)插值算法過濾器，它能在需要的地方放置合適的采樣點(diǎn)；還有適用于動(dòng)畫的采樣引擎。聽起來(lái)這些算法都很高深，其實(shí)我們只要知道我們的工作是要找到合適的方法對(duì)付巨長(zhǎng)的渲染時(shí)間就行了。我在95到96年第一次接觸3D軟件的時(shí)候試著用一個(gè)光源照亮一個(gè)鏡面屬性的球體，但失敗了。當(dāng)我用手電照射整個(gè)臥室的時(shí)候，臥室會(huì)有一點(diǎn)亮光，但在3D中除了聚光燈的圓錐范圍內(nèi)其它的地方一片黑暗。我想，為什么會(huì)這樣呢？后來(lái)我知道了，因?yàn)樗�有的物體都是反光體，我們平時(shí)看到光大多數(shù)光線都是反射光線。

朋友們你們是否知道，Blinn和Phong這些表面Saders是怎樣工作的嗎？固有色，高光到底是什么呢？在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，我只知道怎樣使用它們，怎樣用它們達(dá)到預(yù)期的效果，但我從不知道它們真正代表著什么。

上面提到過，所有的物體都會(huì)吸收和發(fā)出光線。一個(gè)全反射材質(zhì)，也就是反射全部光線的材質(zhì)，像表面鍍了金屬的玻璃，它表面的每一個(gè)點(diǎn)都包含了環(huán)境的信息。當(dāng)光線在物體表面反射后一部分光線被吸收，反射光線變?nèi)跚冶弧叭旧�”。因此過渡色就是物體表面除吸收的那一部分的帶有表面顏色的反射光線。在現(xiàn)實(shí)中絕大多數(shù)表面都會(huì)有一定程度的粗糙度，我不是說肉眼可以看到的凹凸不平，而是微觀上的表面粗糙。不同的Saders能夠快速有效地模擬表面的粗糙方式。高光就是反射最多，光線聚集最強(qiáng)烈的那一部分表面產(chǎn)生的。地過渡色區(qū)域也會(huì)有小面積的高光，但隨著表面和光源的距離拉大高光也漸漸地變的不明顯了。這樣的高光在現(xiàn)實(shí)世界并不存在，這是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界不存在3D軟件中的理想光源（點(diǎn)光源和面光源）�，F(xiàn)實(shí)世界中的光源總會(huì)有一定的形狀，這樣高光區(qū)會(huì)表現(xiàn)有一定的細(xì)節(jié)而且可以看到光源的形態(tài)。參考下圖中的皮革，射到高光區(qū)的光線來(lái)自窗外的陽(yáng)光，可以看到真實(shí)表面的細(xì)節(jié)是很復(fù)雜的�？梢哉f高光區(qū)只是過渡色區(qū)域中反射較強(qiáng)的表面。像這樣的反光表面只用一個(gè)簡(jiǎn)單的Sader是不可能實(shí)現(xiàn)的，我們必需用真正的光源來(lái)模擬窗外的光線。或許還要用反射模糊來(lái)模擬過渡色區(qū)域的光線散射，用一點(diǎn)過濾色模擬表面吸收不同的光線產(chǎn)生的顏色。這可能就是這幾年來(lái)HDRI如此流行的緣故吧。HDRI不僅可以產(chǎn)生高質(zhì)量的間接照明，還可以用渲染出真實(shí)的反射和高光區(qū)的精彩細(xì)節(jié)。

這是一幅勺子的照片，主光來(lái)自上方。勺子的中心有非常強(qiáng)烈的高光，有趣的是周圍還有一圈圈的刮痕。每一圈刮痕可以看成在它邊緣處反光的圓柱形凸痕。光線在它們之間反射，這樣反射光線在某個(gè)方向上散射開來(lái)，也就是CGI里所謂反射的各向異性。

在這張圖片中我們看到主光在高光區(qū)的中心形成一個(gè)十字。像打磨過的金屬和毛發(fā)這類物質(zhì)常發(fā)生這種現(xiàn)象，而且針對(duì)這種高光已經(jīng)有不同的Shaders算法了。我要指出的是這些算法都必需能快速的產(chǎn)生各向異性的高光。如果想渲染出正確的高光就必需用真實(shí)的物體，或者至少用凹凸貼圖模擬刮痕（這個(gè)Shaders用在CGI毛發(fā)上一點(diǎn)意義都沒有，因?yàn)檫@種現(xiàn)象是由許多許多細(xì)小的圓柱體產(chǎn)生的）。我只發(fā)現(xiàn)在使用不透 明貼圖的時(shí)候這種Shaders才管用。

光線還可以表現(xiàn)出另一種特性。當(dāng)光線與表面的夾角很小的時(shí)候光線趨向于在表面反射，但當(dāng)光線跟表面接近垂直時(shí)趨向于穿透表面介質(zhì)。這也是一種很重要的特性，叫做Fresnel(菲涅耳效應(yīng)）光學(xué)纖維這種物質(zhì)常發(fā)生這種現(xiàn)象。許多渲染器都支持這個(gè)特效。下面的圖我們能很清楚地看到這個(gè)效應(yīng)，在角度很小的情下況液晶屏反射很強(qiáng)烈，但垂直看時(shí)大多光線都穿過了塑料殼而被黑色的LCD吸收了。幾乎所有的材質(zhì)都或多或少的表現(xiàn)出這種特性，特別是透明物體（幾乎所有的物體都是“透明”的，只不過這取決于物體原子吸收光線的多少罷了）。

好，我想到現(xiàn)在為止我已向你們介紹了光線的反射原理。我希望你們能在這里學(xué)到一些有用的東西。下面的是一些焦散（Caustics)和散射(Dispersion)的圖片。還有一張圖片，上面是一個(gè)物體和陰影，我想告訴你們的是這個(gè)透明物體的陰影和我的手一樣也是不透明的，這是初學(xué)者對(duì)透明物體使用光線跟蹤陰影時(shí)常犯的一個(gè)毛病。

如果你們有問題的話盡管問吧。請(qǐng)睜大眼睛隨時(shí)留心你的身邊，發(fā)覺周圍不經(jīng)意的小事，有時(shí)它也是美麗的。作為一個(gè)藝術(shù)家這樣有助于提高你技術(shù)方面的理解。

未完

請(qǐng)關(guān)注反射的奧秘之二