【光照】[光照模型]是什么？以UnityURP為例

光照模型是計算機圖形學中模擬光線與物體表面交互的數學算法，其本質是對光能傳輸方程的簡化實現。核心要素包括環境光、漫反射、鏡面反射等基礎組件，以及能量守恒、微表面理論等高級特性。從簡單的Lambert模型到復雜的Cook-Torrance模型，光照模型在游戲引擎（如UnityURP）和電影級渲染中廣泛應用。隨著技術發展，神經光照模型、量子計算等前沿方向正在推動光照模擬向更高真實度邁進。理解光照模型不僅需要掌握數學公式，更要洞察光與物質的物理作用本質。

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

核心定義

?光照模型?是計算機圖形學中用于模擬光線與物體表面相互作用的數學算法，它通過計算光能傳播的物理特性，決定場景中每個像素的最終顏色值。其本質是求解?光能傳輸方程?的簡化實現。

graph LR A[光源發射光子] --> B[與物體表面交互] B --> C[反射/折射/吸收] C --> D[進入人眼或傳感器] D --> E[形成視覺顏色]

核心組成要素

光照模型通常包含以下物理現象的數學描述：

光-物交互基礎組件

組件	物理原理	數學描述
?環境光?	全局間接光照	`L? = k? * I?`
?漫反射?	朗伯余弦定律	`L_d = k_d * I * max(0, N·L)`
?鏡面反射?	菲涅爾反射	`L_s = k_s * I * (R·V)^n`
?自發光?	物體輻射	`L_e = emissiveColor`

高級光傳輸特性

?能量守恒?：入射光能 = 反射光能 + 吸收光能 + 透射光能
?微表面理論?：使用法線分布函數(D)、幾何遮蔽(G)、菲涅爾(F)描述微觀結構
?次表面散射?：光在材質內部的傳播（皮膚、玉石等）

光照模型的數學本質

光照模型是?渲染方程?的特定解形式：

$$
L_o(x,ω_o) = L_e(x,ω_o) + ∫_Ω f_r(x,ω_i,ω_o) L_i(x,ω_i) (n·ω_i) dω_i
$$

其中：

$L_o$：出射輻射度
$f_r$：雙向反射分布函數(BRDF)
$L_i$：入射輻射度
$(n·ω_i)$：余弦衰減項

光照模型分類體系

游戲中的光照模型分類

graph TD A[標準光照模型] --> B[漫反射] A --> C[高光反射] B --> D[蘭伯特模型] C --> E[Phong模型] C --> F[Blinn-Phong模型] G[BRDF] --> H[漫反射] G --> I[鏡面反射] I --> J[GGX] I --> K[菲涅爾效應] L[PBR] --> G L --> M[能量守恒] L --> N[微表面理論]

按物理經驗分類

graph TD A[光照模型] --> B[經驗模型] A --> C[物理模型] B --> B1[Lambert] B --> B2[Phong] B --> B3[Blinn-Phong] C --> C1[Cook-Torrance] C --> C2[Oren-Nayar] C --> C3[Disney BRDF]

按光照范圍分類

類型	原理	代表模型
?局部光照?	僅考慮直接光照	Phong, Blinn-Phong
?全局光照?	包含間接光照	路徑追蹤，輻射度算法
?混合光照?	直接+簡化間接	屏幕空間環境光遮蔽(SSAO)

典型光照模型實現對比

模型	核心公式	適用場景	計算復雜度
?Lambert?	`L = k_d I (N·L)`	粗糙無光澤表面	★☆☆☆☆
?Phong?	`L = k_d(N·L) + k_s(R·V)^n`	塑料/陶瓷	★★☆☆☆
?Blinn-Phong?	`L = k_d(N·L) + k_s(N·H)^n`	實時渲染通用	★★☆☆☆
?Cook-Torrance?	`f = (D·F·G)/(4(N·V)(N·L))`	金屬/高光材質	★★★★☆
?Oren-Nayar?	`L = k_d I (A + B·max(0,cosφ)sinα tanβ)`	布料/粗糙表面	★★★☆☆

現代應用中的關鍵作用

在游戲引擎中的實現

?Unity URP?：

csharp
// 表面著色器示例
void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
    o.Albedo = _Color.rgb;
    o.Metallic = _Metallic;
    o.Smoothness = _Glossiness;
    o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_MainTex));
}

?Unreal Engine?：基于物理的材質編輯器（PBR）

電影級渲染應用

?RenderMan RIS?：使用路徑追蹤求解完整渲染方程

Arnold：

surface PBR(
  color baseColor = 0.8,
  float metallic = 0,
  float roughness = 0.5)
{
  // GGX微表面BRDF實現
  bsdf = ggx_brdf(normal, roughness, metallic);
  Ci = baseColor * illuminate(bsdf);
}

技術演進里程碑

?1967?：Bui Tuong Phong 提出漫反射模型
?1975?：Phong 鏡面反射模型完善
?1981?：Cook-Torrance 推出首個物理BRDF
?2010?：Disney 提出藝術家友好的PBR工作流
?2020?：神經輻射場（NeRF）實現照片級渲染

前沿研究方向

?神經光照模型?：使用深度學習預測復雜光傳輸
- 示例：MIT 2023年提出的NeILF（神經逆光場）
?量子光照計算?：光量子處理器加速路徑追蹤
?全息光場渲染?：光波前重建技術（如Looking Glass顯示屏）

光照模型是連接虛擬與現實的橋梁——從簡單的(N·L)點積運算到包含數百萬光路的路徑追蹤，其演進史就是計算機圖形學追求物理真實性的奮斗史。理解光照模型不僅需要掌握其數學形式，更要洞察光與物質相互作用的物理本質。