维岳

第11课：光照模型（Lighting Models）

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第11课：光照模型（Lighting Models）

教材对照：The Unity Shaders Bible 第七章 7.0.1 — 7.0.6

11.1 光照模型的概念

光照模型（Lighting Model）是计算机图形学中描述光与表面相互作用的数学近似。 它定义了给定光源属性（颜色、强度、方向等）和材质属性（颜色、粗糙度、金属度等）后， 表面上一点应该呈现的最终颜色。

光照模型 = 表面 + 光源 + 观察者 一个完整的光照模型通常考虑三个因素：

  1. 光源：光的颜色、强度、方向、衰减
  2. 表面：材质属性（漫反射色、高光色、粗糙度、法线等）
  3. 观察者：视角方向——不同角度看到的效果不同

光照模型是跨引擎通用的概念。无论是 Unity、Unreal、Godot 还是 Blender， 其渲染管线的核心都是光照模型的计算。差异仅在于具体实现 API 和预设的便捷程度。

11.1.1 逐顶点光照（Per-Vertex Lighting）vs 逐像素光照（Per-Pixel Lighting）

对比维度逐顶点光照（Gouraud Shading）逐像素光照（Phong Shading）
计算位置Vertex Shader 中计算，像素间插值Fragment Shader 中每个像素独立计算
性能高（计算量少，仅对顶点计算）较低（每个像素都需要计算）
质量较低（高光容易出现锯齿/马赫带）高（细节丰富，高光平滑）
高光质量高光可能走样，或完全丢失高光精确到每个像素
适用场景移动端/低端设备、无关紧要的物体主要物体、角色、高质量场景

经验法则 现代硬件上，除非是极低端设备或特殊优化，否则都应使用逐像素光照。

在 Unity 中，Surface Shader 默认就是逐像素光照。

11.2 环境光（Ambient Color）

在真实世界中，物体表面除了直接接收光源的照射外，还会接收到来自周围环境反射的间接光照。 例如一面白墙旁边的红色物体，其暗面会略带红色——这是光线从白墙反射到物体的结果。

环境光（Ambient Color）正是用来近似这种间接光照的。它为一个物体的所有表面提供一个基础照明， 确保背光面不至于完全漆黑。

环境光 ≠ 真实全局光照 传统的环境光模型仅仅是添加一个常数颜色值 到所有像素上，不区分方向。

这是一种粗糙的近似。更真实的方案是使用IBL（Image-Based Lighting） 或GI（Global Illumination） ， 如 Unity 的 Light Probe 系统和 Enlighten / GPU Lightmapper。

在 Unity 中，环境光通过 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT 变量访问，在 Shader 中使用方式如下：

在 Unity 编辑器中，环境光通过 Window / Rendering / Lighting → Environment 面板配置， 可以选择 Color、Gradient 或 Skybox 作为环境光源。

11.3 漫反射（Diffuse Reflection）—— Lambert 模型

11.3.1 Lambert 余弦定律

漫反射是指光线照射到粗糙表面后向各个方向均匀反射的现象。 无论视角如何变化，漫反射表面的亮度看起来都是相同的——这是因为表面微表面将光均匀散射到所有方向。

Johann Heinrich Lambert 在 1760 年提出了Lambert 余弦定律（Lambert’s Cosine Law）， 定义了漫反射的计算方式：

Lambert 漫反射模型

D = Dr × Dl × max(0, n · l)

其中：

  • D = 最终漫反射颜色
  • Dr = 漫反射颜色（材质颜色 × 光源颜色）
  • Dl = 光源强度
  • n = 表面法线（归一化）
  • l = 光照方向（归一化，指向光源）
  • max(0, n·l) = 点积取正值，模拟”光照不到的地方就是暗的”

11.3.2 Shader 实现

Note

跨引擎通用性：Lambert 模型是所有 3D 软件和引擎的基础。

  • Autodesk Maya：Lambert 材质
  • Blender：原理化 BSDF 中的 Diffuse 分量
  • Unreal Engine：Lambert 是 Default Lit 的漫反射基础
  • Three.js：MeshLambertMaterial

11.4 高光反射（Specular Reflection）—— Blinn-Phong 模型

11.4.1 Phong 与 Blinn-Phong

高光反射描述了光滑表面上的镜面高光——当光源方向与视角方向满足反射关系时， 表面会出现明亮的光斑。Bui Tuong Phong 在 1975 年提出了经典的 Phong 反射模型。

后来 Blinn-Phong 模型（Jim Blinn 对 Phong 的改进）被更广泛地使用。 两者的核心区别在于：Phong 使用反射向量与视角方向的点积，而 Blinn-Phong 使用半程向量（Halfway Vector） 与法线的点积。

Blinn-Phong 高光模型

S = Sa × Sp × max(0, n · h)specularPow

半程向量 h：

h = normalize(l + e)

其中：

  • Sa = 高光颜色（光源颜色 × 高光贴图）
  • Sp = 高光强度
  • n = 表面法线
  • h = 半程向量（光照方向 + 视线方向的归一化）
  • l = 光照方向
  • e = 视线方向（从表面指向相机）
  • specularPow = 高光指数（范围 1-128，越大高光越集中）

11.4.2 为什么用半程向量？

Phong 模型中，高光依赖于 反射向量 r 和 视线方向 e 的夹角。 而计算反射向量 r 需要额外的数学运算。Blinn-Phong 使用 h = normalize(l + e)， 这个向量表示”最能使光线反射到视线的法线方向”——当 n 与 h 对齐时，高光最强。

Blinn-Phong 的优势：

  • 计算更高效：半程向量计算比反射向量更简单
  • 效果更好：在大多数情况下，Blinn-Phong 的高光形状更符合物理
  • 仍然是近似：但它是 Phong 模型的显著改进

11.4.3 Shader 实现

注意 漫反射使用乘法col.rgb *= diffuse ，而高光使用加法col.rgb += specular 。

这是物理正确的：漫反射是表面吸收并重新发射的光（减法混合），高光是表面直接反射的光（加法混合）。

11.5 环境反射（Environmental Reflection）—— 立方体贴图

环境反射使用 Cubemap（立方体贴图）来模拟物体对周围环境的反射。 与高光反射不同——高光只反射主光源，环境反射反射整个环境中的光线。

11.5.1 反射计算原理

计算环境反射的核心是 reflect 函数，它根据法线和视线方向计算出射方向：

反射向量计算

reflect(i, n) = i − 2 × n × dot(n, i)

其中 i 是入射方向（指向物体），n 是法线方向

11.5.2 Unity 中的快捷方法

Unity 提供了更简便的方式获取环境反射——使用 UNITY_SAMPLE_TEXCUBE 宏， 它会自动采样场景中 Reflection Probe 的立方体贴图：

11.6 Fresnel 效应（菲涅尔效应）

11.6.1 现象与原理

法国物理学家 Augustin Jean Fresnel 发现：反射率随视角变化。 具体来说：

  • 当视线垂直于表面时（法线 ≈ 视线），反射最弱，透射最强
  • 当视线掠射表面时（视线与表面夹角很小），反射最强

现实中很容易观察到：站在湖边低头看脚下——水是透明的，可以看到水底的石头； 但往远处看——水面像镜子一样反射天空。这就是 Fresnel 效应。

Fresnel 效应在渲染中的重要性 在 PBR 中，Fresnel 效应通过 Schlick 近似 实现，它是金属质感的关键。 所有导体（金属）在掠射角都有接近 100% 的反射率，这正是金属表面"闪闪发光"的原因之一。

11.6.2 Shader Graph 中的 Fresnel 公式

Fresnel 效应函数（Unity Shader Graph）

Out = pow((1 − saturate(dot(n, e))), power)

其中：

  • n = 法线方向
  • e = 视线方向
  • saturate 将值限制在 [0, 1] 区间
  • 1 − x 反转结果（平行时反射为 0）
  • power 控制衰减速度

具体分析：当法线与视线平行时（dot = 1），1 - 1 = 0，Fresnel 为黑色； 当法线与视线垂直时（dot = 0），1 - 0 = 1，Fresnel 为白色。

11.6.3 Shader 实现

11.7 光照模型公式速查

光照分量公式输入特点
环境光ambient = globalAmbient × intensity全局环境颜色、强度最简单的近似，无方向性
Lambert 漫反射D = Dr × Dl × max(0, n·l)法线 n、光照方向 l各向同性，视角独立
Blinn-Phong 高光S = Sa × Sp × (n·h)p法线 n、半程向量 h、指数 p视角相关，光滑表面
环境反射R = texCUBE(reflDir) × intensity视线 e、法线 n、Cubemap反射周围环境
Fresnel 效应F = (1 − n·e)power法线 n、视线 e、指数 power视角相关，掠射角反射最强

11.8 跨引擎光照模型对比

Note

这些光照模型并非 Unity 专有——它们是整个计算机图形学的共同遗产：

  • Unreal Engine：其光照模型基于 Cook-Torrance BRDF（PBR），但本质仍包含漫反射（Lambert）和高光（GGX），Fresnel 通过 Schlick 近似实现。
  • Godot：StandardMaterial3D 同样基于 Lambert 漫反射 + Blinn-Phong 高光，4.0 后引入 PBR。
  • Three.js：MeshPhongMaterial 实现了 Blinn-Phong 高光。
  • Blender：原理化 BSDF 的着色器节点中包含 Diffuse（Lambert）和 Glossy（GGX）分量。
  • DirectX SDK / Vulkan Samples：所有光照模型从底层 shader 实现，与 Unity 无本质区别。 理解了 Unity 中的 Blinn-Phong，你在任何引擎中都能快速上手其高光实现。

练习与回顾

  1. 数学分析：Lambert 模型中 max(0, n·l) 的取值范围是什么？当 n·l 为负数时意味着什么？
  2. 对比思考：Blinn-Phong 使用半程向量 h 替代了 Phong 模型中的反射向量 r。请推导 h = normalize(l + e) 的计算过程，并说明为什么它比反射向量更高效。
  3. 代码修改：在 Fresnel 函数中，如果去掉 1 - x 这一步，直接使用 saturate(dot(normal, viewDir)) 作为输出，效果会变成什么样？
  4. 效果预测：在 Blinn-Phong 中，当 specularPow = 1 和 specularPow = 128 时，高光形状有何不同？哪种情况下高光范围更广？
  5. 性能分析：逐顶点光照中，高光反射可能会出现什么问题？为什么逐像素光照在高光计算中效果更好？
  6. 扩展思考：环境反射使用 Cubemap 有什么局限性？为什么 PBR 中引入了 IBL（Image-Based Lighting）来解决这个问题？

教材对照：The Unity Shaders Bible Chapter II, Section 7.0.1—7.0.6 (Pages 203-246)

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