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第一部分：光照和着色基础

⚪ 材质(Material)

Jason：材质是网格视觉特性的完整描述。包括纹理设置，以及一些高级特性例如用什么着色器、着色器的输入参数等。

网格和材质共同组成了”网格-材质对”，又称为渲染包(render packet)。”几何图元(geometric primitive)”一词有时候也有”网格-材质对”的意思。

三维模型有时会使用多个材质。因此，一个网格通常会切割成子网格(Submesh)，每个子网格对应一个材质。

⚪ 着色(Shading)

Yan：着色就是把材质应用给物体的过程。
Jason：着色一词通常是光照加上其他视觉效果的泛称。

⚪ 光源模型

光是电磁辐射，其颜色由强度(intensity)和波长(wavelength)决定。

光和物体的交互：

一个平面只会吸收某些波长的光，其他的光会被反射。这个特效形成了我们对物体颜色的感知。
光的反射可以是漫反射也可以是镜面反射。
光的反射可以是各向异性的。
光穿过物体时可能被散射(scatter)、吸收(absorb)、折射(refract)。不同波长的光折射角度会有差异。
光能在表面下反弹，再从另一个位置离开表面。称为次表面散射(SubSurfaceScattering, SSS)。

光源模型种类：

游戏运行之前计算光照，并把结果存储在名为光照贴图的纹理上，运行时再把纹理投影在场景中的物体。

不能直接烘焙到主纹理上，因为主纹理通常要密铺或重复。
通常会使用一张光照纹理贴到所有受光源影响的物体上。
光照贴图的分辨率通常低于漫反射纹理，并且纯光照贴图通常更易压缩。

a. 环境光：
环境光(Ambient)独立于视角并且不含方向，由单个颜色表示。

b. 平行光：
平行光(Directional Light)来模拟距离表面接近无限远的光源，例如太阳。

c. 点光源：
点光(Point Light)又称全向光。有特定的位置，向所有方向均匀辐射。光照强度通常设定为以光源距离做平方衰减，超出预设最大有效半径就把强度设为0。

d. 聚光：
聚光(Spot Light)等同于发射光线受限于一个圆锥范围的点光源。

e. 面积光：
面积光(Area Light)具有非零的面积，产生的阴影含有本影(umbra)和半影(penumbra)。

f. 自发光物体：
自发光物体通常会用到自发光纹理(EmissionTexture)来渲染。
也可以结合其他方法来渲染。

⚪ 颜色

颜色空间和颜色模型：

计算机图形学最常用的颜色模型(color model)是RGB模型。RGB模型中由一个单位立方体表示颜色空间(color space)，其三个轴分别代表红绿蓝光的量度。
这些红绿蓝分量又称为颜色通道(color channel)，每个颜色通道的范围都是[0, 1]，(0,0,0)表示黑色，(1,1,1)表示白色。
颜色存储于位图时，可使用多种不同的颜色格式(color format)。颜色格式的定义，部分由每像素位数(bits per pixel, BPP)即每个颜色通道的位数决定的。（常用的格式有RGB888、RGB565等）
调色板格式(palette format)可使用每像素8位索引，用这些索引查找一个调色盘。

可以使用对数LUV颜色模型做高动态范围(high dynamic range, HDR)渲染。

不透明度和Alpha通道：

通常在RGB颜色之后补一个名为Alpha的通道，用来度量该像素的不透明度。

RGB颜色格式可以扩展以包含Alpha通道，称为RGBA或者ARGB。

⚪ 直接光照和间接光照

模拟光和面/体积交互的数学模型称为光传输模型(light transport model)。

最简单的模型只考虑直接光照(direct lighting)。仅仅考虑光对单个物体的局部影响，又称为局部光照模型(local illumination model)。

要达到更写实的效果就要考虑到间接光照(indirect lighting)。即光被多个表面反射后进入摄像机，又称为全局光照模型(global illumination model)。



第二部分：标准光照模型

标准光照模型又称Blinn-Phong模型。

Blinn-Phong模型分为三部分：漫反射、高光、环境光。$L=L_a+L_d+L_s$

漫反射(Diffuse)：

完全的漫反射、与观察方向无关。
面与光的夹角影响面接受的光能，导致了明暗。

Lambert定理：接受的能量与光线方向和法线夹角余弦成正比。

公式：$L_d = K_d I max(0, cosθ)$

$K_d$是漫反射系数。(color)
I为光照强度。

Lambert模型中所有背光面颜色一样，都是全黑，觉得不好看可以改用半Lambert模型。

公式：$L_d = K_d I (0.5 + 0.5cosθ)$

半lambert模型由Valve首次使用在Half-Life2中。

高光(Specular)：

Phong模型是计算出射方向和视角方向夹角的。Blinn模型则是半程向量h与法线n的夹角计算，二者都是经验模型，但是使用半程向量更好。

公式：$L_s = K_s I max(0, cosα)^p$

指数P用于修正高光大小。

环境光(Ambient)：

环境光是一个简化的假设。
假设任何一点接受来自环境光永远相同。

公式$L_a = K_a I_a$



第三部分：着色频率(Shading Frequency)

a.平直着色(flat shading):

一个平面只做一次Shading，整个平面都使用这个同一个颜色，称为平直着色。

顶点光滑着色：

顶点光滑着色又称为高洛德着色(Gouraud)。

先计算顶点法线，然后做顶点着色，最后做顶点间颜色插值。

像素光滑着色：

像素光滑着色，又称为冯着色(Phong)。

先计算顶点法线，然后进行法线插值，最后每个像素都做一次着色。



第四部分：混合(Blend)和透明(Transparent)

混合方程：

$C = C_{src} × F_{src} + C_{dst} × F_{dst}$

F为混合系数。

两种颜色：

  1. 光栅化像素颜色，即像素着色器返回的颜色，称为源像素(src clr)。
  2. 后台缓冲区像素，称为目标像素(dst clr)。

几种混合模式：

  1. 不透明效果：
    $F_{src} = 1$; $F_{dst} = 0$;

  2. 半透明效果：
    $F_{src} = Alpha_{src}$; $F_{dst} = 1 - Alpha_{src}$;

最常用混合模式，适用于大多数半透明效果。

  1. 滤色模式：
    $F_{src} = 1$; $F_{dst} = 1 - C_{src}$;

常用于粒子效果。

  1. 正片叠底：
    $F_{src} = C_{dst}$; $F_{dst} = 0$;

即相乘。
一种常用的变暗模式。

注意事项：

  1. 场景中有半透明物体和不透明物体时，应该先渲染不透明物体，再渲染半透明物体。(CRE: Unity中使用Queue渲染队列。先渲染不透明物体，再渲染AlphaTest物体，然后再渲染半透明物体)

  2. 混合通常仍然需要深度测试，但是不需要写入深度，只缓冲最近的不透明深度，远于该深度的不渲染。但是需要从远到近渲染半透明物体，或者使用顺序无关透明渲染技术(OIT)。