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灯光环境和渲染

课程大纲灯光渲染的基本概念光线传播、光源类型、材质反射模型阴影类型及生成硬阴影、软阴影、阴影贴图、体积光全局光照辐射度、光子映射、辐射度缓存、路径追踪渲染引擎简介UnrealEngine、Unity、Arnold、Redshift、Octane

灯光渲染的基本概念模拟真实世界灯光渲染利用计算机图形学模拟真实世界中光的行为。光线交互模拟光线与物体表面的交互，包括反射、折射、散射等。渲染图像将模拟后的光线信息转化为图像，呈现逼真的视觉效果。

光的传播原理1直线传播光在均匀介质中沿直线传播2反射光遇到不同介质的界面发生改变方向3折射光线从一种介质进入另一种介质时发生偏折

光源的类型及特点1环境光模拟均匀照射，提供基础亮度。2定向光来自特定方向的光，如太阳光。3点光源从一点向四周辐射光，如灯泡。4聚光灯具有特定方向和范围的光，如手电筒。

环境光柔和的光照环境光模拟来自环境的漫射光，使场景更加柔和自然。均匀照明环境光为场景提供一种均匀的整体照明，避免物体过于黑暗。环境色调环境光可以用来营造场景的整体色调，例如日出、日落或夜晚。

定向光模拟太阳光,从一个方向照射到场景中,光线平行传播,亮度均匀。常用于室外场景，例如白天室外光线，可以模拟阳光照射的效果。可以通过调整方向和强度来模拟不同时间段的光照效果。

点光源无方向性点光源向各个方向均匀地发出光线，没有特定的方向。衰减点光源的光线强度会随着距离的增加而衰减，模拟真实世界中光线的衰减效果。应用场景常用于模拟灯泡、烛光、火焰等光源，也可以用于创建氛围光。

聚光灯特点聚光灯，一种模拟真实世界中手持聚光灯的效果，可以用来照亮特定区域，产生强烈光束。应用聚光灯通常用来照亮主体，创造戏剧性的光影效果，提升场景的视觉冲击力。控制聚光灯可以通过调整光束角度、衰减距离和光源颜色等参数，来实现不同的光照效果。

材质反射模型漫反射光线均匀散射，没有方向性，呈现出哑光效果。镜面反射光线以镜面角度反射，呈现出高光效果。折射光线穿过材质，发生弯曲，呈现出透明或半透明效果。

Blinn-Phong反射模型Blinn-Phong模型Blinn-Phong模型是一种常见的反射模型，它将光线反射分为漫反射和镜面反射。算法特点该模型简单高效，广泛应用于游戏和实时渲染中，因为它可以模拟出逼真的光照效果。

Cook-Torrance反射模型微表面模型Cook-Torrance模型基于微表面理论，认为物体表面是由许多微小的表面组成，这些微表面之间存在不规则的间隙。镜面反射该模型考虑了光线在微表面上的镜面反射，并通过计算微表面法线分布、菲涅尔反射和几何衰减因子来模拟光线反射。漫反射Cook-Torrance模型也考虑了漫反射，但通常使用其他模型来计算漫反射光线。

阴影类型及生成硬阴影清晰、锐利的阴影，光源边缘分明，通常由点光源产生。软阴影模糊、柔和的阴影，光源边缘不清晰，通常由面积光源产生。阴影贴图通过预先计算的阴影图，高效地模拟阴影效果。

硬阴影1清晰边界硬阴影具有清晰的边界，这是由于光线直接照射到物体上，没有被其他物体或环境因素散射。2光源大小硬阴影通常是由小尺寸的光源产生的，例如太阳或点光源。3对比度硬阴影与周围环境的对比度很高，营造出强烈的明暗对比效果。

软阴影光线漫射软阴影由光源的漫射光线形成，光线穿过物体边缘，在物体周围形成柔和的阴影。模糊边界软阴影的边界模糊，不像硬阴影那样清晰锐利，使物体边缘更自然柔和。

阴影贴图预先计算阴影贴图是一种预先计算阴影的方法，并将阴影信息存储在纹理中。纹理映射在渲染时，将光源信息与阴影贴图进行比较，从而模拟阴影效果。效率提升阴影贴图可以提高渲染效率，减少对阴影的实时计算。

体积光光在介质中的传播体积光模拟光线在空气、水或雾等介质中的传播和散射效果，使场景更具真实感和深度。渲染效果体积光能够呈现出光束、雾气、烟尘等自然现象，为场景增添层次感和氛围感。

全局光照真实感渲染模拟现实世界中光线在场景中的传播和相互作用，创造更逼真的视觉效果。间接光照考虑光线从物体表面反射或折射后，到达其他物体表面的情况。全局照明技术辐射度、光子映射、辐射度缓存、路径追踪等方法用于计算全局光照效果。

辐射度计算原理辐射度方法模拟光线在场景中的传播和反射，通过计算每个表面接收和发射的光能来获得最终的渲染结果。它是一种基于物理的渲染技术，可以产生逼真的光照效果。优势辐射度方法可以有效地处理间接光照，并产生柔和的阴影和自然的光照效果。

光子映射光子追踪光子映射是一种基于路径追踪的渲染技术，它模拟了光线在场景中的传播方式。光子地图通过追踪光子路径，光子映射构建了一个“光子地图”，记录了光线在场景中的分布情况。渲染效果利用光子地图，渲染器可以更精确地模拟光线照射到物体表面的效果，产生更逼真的