MAYA灯光反射的奥秘

Blinn-Phong模型，也叫Blinn，是Phong模型最常见的变化类型。做为CG领域的先驱，Blinn改进了Phong模型的一些高光上的问题。Blinn模型混合了Lambert的漫射部分和标准的高光，在速度上相当快，因此成为许多CG软件中的默认材质。此外它也集成在了大多数图形芯片中，用以产生实时快速的渲染。如下图：这两个球体使用相同的光照和相同的参数(Blinn和Phong高光的基本参数是相同的)。看上去上图中的Phong球和下图中的Blinn球没什么区别，除了Blinn球看上去更加柔和。但我们来看看不同角度下的反射值（图3，4），就能看到非常明显的区别。在入射角为90度的情况下反射就像是非常柔和的的Phong高光，但角度很小时高光的反射处明显被撕裂。这是因为这两个的BRDF模型的算法有微小的区别，但这有什么用呢？



下图说明了Phong和Blinn视觉上的不同。在入射角很小的情况下有个主要的区别。因此我为球体打了两个灯，一个从顶部，一个从底部，都与摄像机成90度角。第一个是Phong球，第二个是相同条件下的Blinn球。结果是由于球体上三角面的角度不同Phong的高光被扭曲了，但Blinn球保证了高光的完整性。好了，你可以根据你自己的需要选择Phong还是Blinn，我个人认为Phong高光更正确一些，但Blinn高光的可控性更好。因为它可预测，特别是在复杂的表面上，因此它被用做CG软件中最基本，也最快的BRDF模型。图中第3，4个球使用了光线跟踪的镜面反射，反射出了一个环境，同样是第一个用Phong，第二个用Blinn的BRDF模型。注意，许多渲染程序并不支持镜面反射渲染的BRDF模型，而是使用自己的聚焦算法。
你们可以看到Phong上相同的扭曲效果和Blinn球上清晰柔和的反射（渲染条件完全相同，唯一不同的是不同的渲染结果）。



06.背部反射:Minnaert,Hapkel/Lommel-Seelinger
到此我们已经了解了最基本的均匀漫射和高光反射部分的反射模型，但是Phong和Blinn只适用于遵守入射角=反射角原理的镜面反射。现实中的表面都会有各种各样的缺陷，因此光线会以不同的方式散射----SSS特效或称背部散射。
明显，背部散射就是表面在其背面反射光线。为达到这种效果出现了许多不同的模型，同时还与其它的模型混合来达到更加复杂的效果。最常见的一个是Minnaert模型。它使用与Lambert相同的算法，只是增加了一个使表面变暗的参数来降低正常反射方向上的亮度。下图中的第一个球就是Minnaert模型。它最初是用来描述月亮的BRDF的（基本Lambert反射加一点背部反射，世间少有）。Minnaert模型不允许有过大的背部散射值和边缘光照效果。但由于它是基于Lambert漫射的因此它的速度相当快。而Hapkel/Lommel-seelinger模型就有一点复杂了，但是你也可以改变背部和前部的散射量来产生更多的光线散射效果。这些模型很广泛的应用在表面上有微小毛发的材质和天鹅绒材质，这些材质会在其毛发的顶部产生边缘背部散射光线。第三个球体是Hapke/Lommel-Seelinger的一个变种，主要用来模拟带有绒毛的纤维。我在其背部打了一个蓝色的灯，以区别白色的过渡色。注意这些模型都加上了一些其它的参数，因为很少有渲染器能支持没有更改过的纯模型。



07.基于Lambert三角面的高级粗糙表面：Torrance,Sparrow,Cook,Blinn,Oren-Nayar
建立一个描述粗糙表面的数学模型的想法很早就有了。Torrance和Sparrow1967年设计出了一个以表面作为基准面的BRDF(早于Phong)。基面上分布有许多微小的三角面，用它们之间形成的角度来描述表面的粗糙程度。由于相邻三角面间形成的槽之间的角度正好相反，因此也叫它为V形槽。这个模型在物理上是正确的，因为它使用的是真实世界的参数来描述反射的分布，而且它具有波长独立性，意思就是说表面上的某一点因视角的不同而有不同的颜色。以后的几种模型都是基于这个基本模型而建立的。
之后Cook和Torrance在1982年迈出了重要的一步(有时称为Cook-Torrance模型，有时也称为Blinn-Cook-Torrance模型，因为它也把Blinn模型考虑进去了)。它是一种由Blinn和Torrance-Sparrow混合而成的模型，也是物理上精确的并而渲染速度上有所改进，其中之一是集成了更多的三角面分布函数。Torrance-Sparrow，基于著名的高斯分布；内建基于Phong式分布的Cook-Torrance；Trowbridge-Reitz和Beckmann分布。不过这只是一小部分，重要的是集成了关于光线的计算信息，光线照射在三角面上，依据两个参数来反射。一个是著名的菲涅耳效应（简单的说就是反射量依据反射角和表面折射率--参见第一部分）。第二是基于自身的阴影投射和三角面遮罩的几何衰减因子，如下图。



Cook-Torrance这种常见模型主要是建立高光和模拟金属质感。有时也会混合Lambert的漫射部分，但由于它在物理上的正确性它不适用于艺术表现，而且它的速度也不是最快的一个。下图的第一个球体是Cook-Torrance高光，在表面粗糙度很小的情况下它跟Blinn高光的形态很相似。另一个常见的三角面模型是Oren-Nayar模型（实际上我们常用三角面模型是出于它的快速，而且它是Lambert漫射之外一个很好的选择）。它是Cook-Torrance模型的一个简易版，能建立漫射表和Blinn高光。我见过很多Oren-Nayar模型不同的应用方法，所以我很难解释它。这中间很多不使用遮罩和自身阴影投射，也不把波长计算算在其中。大多数情况下这个模型看起来像Lambert漫射加上视线正对处的暗淡,再加上一些背部散射。下图中的2，3号球是oren-Nayar模型的简单渲染，画圈的部位是同一点的不同视角，说明了反射值依据视角的不同而不同。我很喜欢这个模型，因为它比Lambert更具真实性。