3D渲染-光線追蹤-輻射度量學(xué)

一、為什么引入輻射度量學(xué)

問(wèn)題一:之前提到 Blinn-Phong Model,是簡(jiǎn)化的光照模型。


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其中 光照強(qiáng)度 I 是一個(gè)固定的值(如I=10)。那I等于10是什么?在Blinn-Phong model中將光照強(qiáng)度簡(jiǎn)化為一個(gè)數(shù),不合理,在實(shí)際中肯定是錯(cuò)誤的。

問(wèn)題二:下圖是Whitted Style生成的光線追蹤效果圖,結(jié)果不是很真實(shí)。

因?yàn)樯蛇^(guò)程中,做了一些簡(jiǎn)化(比如一根光線過(guò)來(lái),會(huì)產(chǎn)生完美的反射;折射能量損失沒(méi)有計(jì)算;80%反射 20%折射也是自定義)


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輻射度量學(xué):是在實(shí)際中,精準(zhǔn)定義光的一系列物理量的方法。

二、輻射度量學(xué)

定義了一系列方法和單位,如何來(lái)描述光照。
定義如下變量:Radiant flux、intensity、irradiance、radiance


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1、Radiant flux

Radiant Energy and Flux(Power)也就是能量。


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Radiant flux is the energy / per unit time 也就是單位時(shí)間的能量。(在物理上是功率 W)


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2、Radiant Intensity

The radiant intensity is the power per unit solid angle 也就是單位立體角上的能量。


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立體角:


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微分立體角:
θ和φ各變化一點(diǎn)點(diǎn),會(huì)引起多大的立體角的變化。


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3、Irradiance

The irradiance is the power per unit area 也就是單位面積上的能量。


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單位面積dA,是需要與入射光線(power)垂直的方向的單位面積。(如果不垂直,需要變成投影過(guò)的垂直方向)。之前提到的朗伯余弦定律,如下圖:


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光線在傳播過(guò)程中,irradiance有r2的衰減。如下圖:
理解:irradiance和intensity對(duì)比。intensity其實(shí)沒(méi)有變化,因?yàn)閱挝涣Ⅲw角其實(shí)沒(méi)有變化,對(duì)應(yīng)的外圈圓弧變化而已。


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4、Radiance

The radiance is the power,per unit solid angle,per unit area 也就是單位立體角、單位面積的能量。


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理解:
因?yàn)椋篒rradiance 是單位面積的能量
Intensity是單位立體角的能量
所以:
Radiance是 Irradiance / 單位立體角 的能量。即在單位面積上的能量,包含來(lái)自各個(gè)方向能量,但在某一個(gè)方向輻射的能量即為Radiance。Irradiance和Radiance的區(qū)別是:是否有方向性。
Radiance是 Intensity / 單位面積 的能量。即在單位立體角上的能量,可以輻射到各個(gè)深度的能量,但在某一個(gè)面積輻射的能量即為Radiance。

5、Irradiance vs Radiance

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