辐照度

在光学领域，辐照度是一个关键物理量，以下为详细阐述：

一、定义

辐照度指投射到单位面积上的辐射通量 ，常用符号 (E) 表示。其定义式为
$$
E = \frac{d\varPhi}{dA}
$$
。其中 varPhi 是照射在面积元 (dA) 上的辐射通量，单位为瓦特每平方米。简单理解，它描述的是单位时间内单位面积所接收光能量的数量。

二、与其他光学概念的关系

  1. 与辐射强度的关系：辐射强度用于描述点光源在给定方向上的辐射特性，单位是瓦特每球面度（(W/sr)） 。对于点光源，辐照度与辐射强度及距离相关。在距离点光源 (r) 处，辐照度 (E) 与辐射强度 (I) 的关系为 (E = \frac{I}{r^{2}}) ，这表明点光源的辐照度随距离的平方反比衰减。
  2. 与光强的关系：在部分不太严谨的表述里，光强有时会与辐照度混淆。但严格来讲，光强基于人眼对不同波长光的视觉响应特性定义，而辐照度是对所有波长光能量的度量，不考虑人眼视觉特性。

散射和吸收

在光学中，散射和吸收是光与物质相互作用的两种重要方式。散射是指光线在传播过程中，由于与介质中的粒子或不均匀结构相互作用，而改变传播方向的现象。这些粒子或不均匀结构的尺寸可以与光的波长相比拟或更小。 吸收是指光通过介质时，其能量被介质中的原子、分子或离子等吸收，转化为其他形式的能量（如热能、化学能等）的过程。 下面是一些散射和吸收的性质：

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在光学中，高光反射和漫反射是两种常见的光反射现象，以下是对它们的详细解释：

高光反射

  • 定义：高光反射，也叫镜面反射，是指当一束平行光照射到光滑表面时，光线会按照反射定律，以相同的角度反射出去，使得在特定方向上能够看到明亮、清晰的反射图像或光斑的现象。
  • 原理：根据光的反射定律，反射光线、入射光线和法线会在同一平面内，反射角等于入射角。在光滑表面，如镜子、金属抛光面等，由于表面的微观平整度很高，光线的反射非常规则，几乎所有的光线都在特定方向上反射，从而形成清晰、明亮的反射效果。
  • 特点
    • 方向性强：只有在特定的角度才能观察到高光反射，偏离这个角度，反射光就很难被看到，所以高光反射具有明显的方向性。
    • 亮度高：在反射方向上，高光反射的光强相对较高，会形成明显的亮斑或亮区，与周围环境形成鲜明对比。
    • 成像清晰：能够清晰地反射出物体的影像，就像镜子一样，可以将周围的景物清晰地映照出来。

漫反射

  • 定义：漫反射是指当光照射到粗糙表面时，光线会向各个方向反射，使得从不同角度都能看到被照射物体的现象。
  • 原理：粗糙表面存在许多微小的凹凸不平，这些微观结构使得入射光在不同的位置和角度上发生反射，反射光线的方向杂乱无章，不再遵循单一的反射方向，而是向四面八方散射。
  • 特点
    • 无方向性：无论从哪个角度观察，都能接收到一定的反射光，不会出现像高光反射那样只有在特定角度才能看到反射光的情况。
    • 亮度均匀：由于反射光均匀地分布在各个方向，所以从不同角度看，物体表面的亮度相对均匀，不会出现明显的亮斑或暗区（除了受光源位置和强度影响外）。
    • 不能成像：漫反射不会形成清晰的反射影像，而是让物体整体看起来被照亮，我们看到的是物体本身的颜色和纹理等。

着色与光照模型

“着色” （shading）是一个核心概念，它描述了如何为三维模型的表面赋予颜色和视觉效果。

光照模型是着色的核心计算依据。着色的核心任务是计算出三维模型表面每个点最终显示的颜色，而光照模型为这个计算过程提供了具体的数学公式和算法。光照模型会考虑到多种因素，如光源的类型（点光源、平行光、聚光灯等）、光源的强度和颜色、物体表面的材质属性（漫反射系数、高光反射系数、光泽度等）以及物体表面的朝向（法线）等，通过一系列的计算得出该点接收到的光照强度和颜色。

BRDF光照模型

BRDF 即双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function），是一种在计算机图形学、光学等领域广泛应用的光照模型，用于描述光线在物体表面反射的特性。 BRDF 描述了从某个方向入射的光线，经过物体表面反射后，在各个出射方向上的分布情况。简单来说，它定量地表示了物体表面如何将不同方向的入射光反射到不同的出射方向，反映了物体表面的反射属性，比如表面是光滑的、粗糙的，还是介于两者之间等。

标准光照模型（Standard Lighting Model）是计算机图形学中用于模拟物体表面光照效果的经典模型，在Unity等游戏开发引擎和图形渲染领域应用广泛。它通过将光照效果分解为几个独立的部分，分别进行计算，最终组合得到物体表面的整体光照效果。以下为你详细介绍其组成部分、计算方法和优缺点。

组成部分

标准光照模型主要由四个部分组成，每个部分模拟了不同的光照现象：

  • 环境光（Ambient Light）

    定义：环境光用于模拟场景中经多次反射后，均匀分布在整个空间的光线，它不依赖于光源的方向，为物体提供了一个基础的亮度，确保即使在没有直接光照的区域，物体也不会完全变黑。

  • 漫反射光（Diffuse Light）

    定义：漫反射光模拟了光线照射到粗糙表面时，向各个方向均匀散射的现象。它只与入射光线的方向和物体表面的法线方向有关，与观察者的位置无关。

  • 高光反射光（Specular Light）

    定义：高光反射光模拟了光线在光滑表面上反射形成的明亮高光区域，它与光源方向、物体表面法线方向以及观察者的位置都有关。

  • 自发光（Emissive Light）

    定义：自发光用于模拟物体自身能够发光的效果，比如灯泡、霓虹灯等。具有自发光特性的物体不需要外部光源照射就可以显示出颜色。