Arnold(C4DToA)阿诺德渲染教程(56) – 镜面反射 BRDF详解（双向反射分布函数）

本教程探讨标准曲面着色器中的各种镜面反射设置。

BRDF

双向反射分布函数 (BRDF) 通过指定从一个方向入射并相对于曲线法线反射到另一个方向的辐射量来描述曲面的反射属性。
一个物理上合理的 BRDF 的主要特点是入射和折射方向之间的对称性（亥姆霍兹互异性），以及给定的入射辐射方向的总反射能量小于或等于入射光的能量（能量守恒）。
镜面反射 BRDF 模型依赖于视角，并可以将各向异性和掠射角的菲涅尔效应考虑进来。Arnold 使用 Cook-Torrance BRDF。

照射到曲面的光线称为入射光线，而照射的角度称为入射角（如下图所示）。反射回来的光能量必须小于或等于照射到曲面的光（我们无法“添加”光）。在曲面上，光线或者发生反射，或者发生折射，并且最终可能会被任意介质吸收。

入射角、入射光线和反射光线

法线方向的反射率

菲涅尔效应以首先介绍它的法国物理学家 Augustin-Jean Fresnel 的名字命名。此效应指出，曲面的反射强度取决于观察者的视角。从掠射角度进行观察时，曲面上的反射量会增加。

当标准曲面着色器中的 IOR 大于 1 时，物体的反射将取决于视角，并依照菲涅尔方程发生变化。

标准曲面着色器使用 Schlick 的菲涅尔方程近似法，并可使用材质的 IOR 来控制。

当值较低时，材质表现为完美的绝缘体，比如塑料。值越高，材质越接近于完美的导体或金属曲面。

法线方向的反射率(Reflectance At Normal)：分别为 0 、0.1 、0.25、0.5

所有材质都存在某种形式的菲涅尔现象，最常见的例子就是玻璃和水。

下面的示例显示了一张木桌上的菲涅尔效应。请注意桌面上的倒影如何随着摄影机观察视角变浅而更具反射性。

镜面反射 BRDF 相对于视角方向发生的变化

在下面的示例中，使用 IOR 为立方体指定了一个标准曲面着色器。菲涅尔效应清晰可见。

当摄影机的观察视角变得越来越浅时，镜面反射的光泽倒影变得越来越亮。

微面曲面
Cook-Torrance 是一个基于微面模型的微面 BRDF（请参见“Microfacet Models for Refraction through Rough Surfaces”，作者 Walter, Marschner, Li 和 Torrance，Eurographics 2007 年）。
这些模型将不完全平滑的、由许多微小的面组成的曲面看成是完美的镜面反射体。
这些微面的法线围绕近似平滑的曲面的法线进行分布。微面法线与平滑曲面法线的偏差度取决于曲面的粗糙度。
下面的显示了曲面粗糙度可以如何影响镜面反射。

在下面的示例中可以看到，当曲面变得“凹凸不平”或“更加粗糙”时，镜面反射的影像会被拉伸。

各向异性和粗糙度

各向异性材质的一个例子是沥青混凝土。此效果在潮湿公路的路面上非常明显。

要注意的是，潮湿路面的漫反射显示更暗，镜面反射显得更亮。

当您远离路面时，地面上拉伸的各向异性反射更加明显。

但是，当您靠近时，由于观察视角发生变化，拉伸的反射变得更小。

各向异性高光的大小取决于观察视角。

_{^{干燥的漫反射路面与潮湿的各向异性路面}}

下面的示例显示了使用各向异性 (0, 0.5, 1) 时镜面反射粗糙度的效果。

为了演示效果，显示的粗糙度值为从 0 到 1。

下面的图像显示了在地板表面上使用和不使用各向异性时渲染效果的差异。

两个着色器的粗糙度均设置为 0.2。地板着色器各向异性分别为：0、0.8。