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局部光照模型(Local Illumination Model):从全光函数到 BRDF,绘制方程(Rendering Equation)

时间:2026-04-11 03:05:12
局部光照模型(Local Illumination Model):从全光函数到 BRDF,绘制方程(Rendering Equation)
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从全光函数到 BRDF全光函数(Plenoptic Function)用于描述任一时刻三维空间中任一一点向任一方向传播的光的信息,形式为:[ Rleft(x,,y,,z,,theta,,phi,,lambda,,tright) ]其中,( (x, y, z) ) 是位置,( (theta, phi) ) 是方向(球坐标),( lambda ) 是光的波长,( t ) 是时刻。全光函数是一个 7 维函数。在实际应用中,全光函数常被简化:位置维度简化:考虑物体表面一点向另一点传播的光,物体表面一般可认为是二维的。时间维度简化:绘制某一时刻场景的状态,假设光的波长与时间无关,没有磷光。波长维度简化:假设入射光和出射光的波长相同,没有荧光或拉曼散射,波长离散或用 RGB 三个分量表示。简化后得到基本的 8 维散射函数:[ left(theta,phiright){text{in}} to left(theta,phiright){text{out}} ]进一步假设物体材质均匀,每个点的反射属性相同、与位置无关,得到 6 维的 BSSRDF(Bidirectional Subsurface Scattering Reflection Distribution Function):[ left(theta,phiright){text{in}} to left(x,y,theta,phiright){text{out}} ]假设没有子面散射,即光线的入射点和出射点相同,得到 4 维的 BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function):[ left(theta,phiright){text{in}} to left(theta,phiright){text{out}} ]BRDF 描述了沿空间任一方向入射到物体表面的光线,经过物体表面的反射朝空间其他方向辐射的辐射亮度分布。如果物体透明,描述透射分布的函数被称为 BTDF(Bidirectional Transmittance Distribution Function),与 BRDF 结合后被称为 BSDF(Bidirectional Scattering Distribution Function)。假设物体材质各向同性,BRDF 可以被进一步简化成 3 维函数:[ theta_{text{in}} to theta_{text{out}},quad phi_text{in}-phi_text{out} ]绘制方程(Rendering Equation)与 BRDF、BSSRDFBRDF 与绘制方程物体表面某点 ( p ) 处来自方向 ( omega_{text{i}} ) 入射辐射照度的微增量 ( mathrm{d}E_{text{i}}left(p ,, omega_{text{i}}right) ) 与其所形成的向出射方向 ( omega_{text{o}} ) 反射辐射亮度增量 ( mathrm{d}L_text{o}left(p ,, omega_{text{o}}right) ) 呈线性关系,由函数 ( fleft(p ,, omega_{text{i}} to omega_{text{o}} right) ) 表示:[ fleft(p ,, omega_{text{i}} to omega_{text{o}} right) = frac{mathrm{d}L_text{o}left(p ,, omega_{text{o}}right)}{mathrm{d}E_{text{i}}left(p ,, omega_{text{i}}right)} = frac{ mathrm{d}L_text{o}left(p ,, omega_{text{o}}right) }{ L_text{i}left(p ,, omega_{text{i}}right) costheta_{text{i}} mathrm{d}omega_i} ]( theta_i ) 是入射光线方向 ( omega_i ) 和着色点 ( p ) 处表面法线方向的夹角。物体表面某点 ( p ) 向方向 ( omega_{text{o}} ) 反射的辐射亮度:[ L_{text{o}}left(p ,, omega_text{o} right) = int_{Omega^{+}} fleft(p ,, omega_{text{i}} to omega_{text{o}} right) L_{text{i}}left(p ,, omega_text{i} right) costheta_{text{i}} ,mathrm{d}omega_{text{i}} ]假设物体
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