漫射和镜面的区别在物理上有多大？

Question

实时计算机图形中阴影曲面的经典方法是(兰伯提)漫射项和镜面项的组合，最有可能是Phong或Blinn。

现在，随着以物理为基础的渲染的趋势，以及冻伤、虚幻引擎或统一3D等引擎中的材料模型，这些BRDF已经发生了变化。例如(这是一个相当通用的引擎)，最新的“幻影”引擎仍然使用兰伯提漫反射，但结合库克-托伦斯微面模型进行镜面反射(特别是使用GGX/Trowbridge-Reitz和菲涅耳项修正的光滑近似)。此外，“金属”值被用来区分导体和介质。

对于介质，漫射是用材料的反照率来着色的，而镜面总是无色的。对于金属，不使用漫射，镜面项与材料的反照率相乘。

关于真实的物理材料，漫射和镜片之间是否存在严格的分离，如果存在，它是从哪里来的？为什么一种颜色而另一种则不是？为什么导体的行为不同？

Answer 1

首先，我强烈建议阅读Naty的Siggraph 介绍性，介绍渲染的物理原理。尽管如此，我会试着回答你的具体问题，借用他的演讲中的图片。

观察单个轻粒子撞击在材料表面的一个点，它可以做两件事:反射，或折射。反射光会从表面反射出去，就像镜子一样。折射光在物质内部反射，并可能在离物质进入的地方有一段距离。最后，每次光与物质的分子相互作用时，它都会失去一些能量。如果它失去足够的能量，我们认为它是完全吸收的。

“光是由电磁波组成的，所以物质的光学性质与其电学性质密切相关。”这就是为什么我们把材料分成金属或非金属。

非金属会同时表现出反射和折射。

金属材料只有反射。所有折射光都被吸收了。

试图模拟光粒子与物质分子的相互作用是非常昂贵的。相反，我们做一些假设和简化。

如果像素大小或阴影面积比入口-出口距离大，则可以假设距离有效为零。为了方便起见，我们把光的相互作用分成两个不同的术语。我们称表面反射项为“镜面”，由折射、吸收、散射和再折射产生的术语我们称之为“漫射”。

然而，这是一个相当大的假设。对于大多数不透明的材料来说，这种假设是可以接受的，并且与现实生活没有太大的不同。然而，对于具有任何透明度的材料，这种假设都失败了。例如牛奶、皮肤、肥皂等。

一种物质所观察到的颜色是没有被吸收的光。这既是反射光的组合，也是存在物质的任何折射光的组合。例如，一种纯绿色的物质会吸收所有不是绿色的光，所以唯一到达我们眼睛的光就是绿光。

因此，艺术家通过赋予材料的衰减函数(即光线如何被材料吸收)来模拟材料的颜色。在我们简化的漫射/镜面模型中，这可以用两种颜色来表示，即漫射色和镜面色。在使用物理材料之前，艺术家会任意选择其中的每一种颜色。然而，这两种颜色应该是相关的，这是显而易见的。这就是反照率颜色的来源。例如，在UE4中，它们计算扩散和镜面颜色如下：

DiffuseColor = AlbedoColor - AlbedoColor * Metallic;
SpecColor = lerp(0.08 * Specular.xxx, AlbedoColor, Metallic)

其中非金属为0，金属为1。“光谱”参数控制着一个物体的光谱性(但是对于99%的材料，它通常是一个常数0.5 )

Answer 2

几天前我还在想这件事。没有在图形社区中找到任何资源，我实际上走到我大学的物理系，问。

事实证明，有很多谎言，我们图形人相信。

首先，当光线击中一个表面时，菲涅耳方程就适用了。反射/折射光的比例取决于它们。你可能早就知道了。

没有所谓的“镜面颜色”

你可能不知道的是菲涅耳方程因波长而异，因为折射率因波长而异。对于介电介质来说，这种变化相对较小(色散，有人吗？)，但对于金属来说却是巨大的(我想这与这些材料的不同的电结构有关)。

因此，菲涅耳反射项随波长的变化而变化，因此优先反射不同的波长。在广谱照明下，这就是导致镜面颜色的原因。但特别是，没有神奇的吸收发生在表面(其他颜色只是折射)。

没有所谓的“漫反射”

正如Naty在另一个答案中的对话中所说，这实际上是对超越散射的地下散射的近似。

金属确实传输光

Naty错了(更准确地说，简化了)。光不会立即被金属吸收。事实上，它会很容易地通过几纳米厚的材料。(例如，对于黄金，需要11.6633nm才能将587.6nm (黄色)光衰减一半。)

吸收，如电介质，是由于啤酒-兰伯特定律.对于金属，吸收系数只是大得多(α=4πκ/λ，其中κ是折射率的虚分量(对于金属为0.5或0.5以上)，λ是以米为单位的)。

这种传输(或者更准确地说是它产生的SSS )实际上是金属颜色的很大一部分(尽管金属的外观是由它们的镜面决定的)。