着色

on graphic

现实生活中所有东西和光接触后产生的结果，不能都用光线传输来模拟，其难负重任，这时着色器粉墨登场。

要显示一个物体需要计算对象表面的每一个点的颜色和亮度。两者有着很紧密的关系。物体的亮度是指有多少光落在物体表面，物体颜色的亮度和色调、饱和度有关。如果两个颜色相同的物体在同样光线条件下，一个比另一个看起来暗，那么很显然，这不是哪个物理表面光线落的多少的问题，而是哪个物体反射光线到环境中更多的问题。颜色的亮度是不同的，在图形学中，一个物体的颜色被称为albedo。

颜色亮度

注意一个物体反射的光不可能比接受的多（除非自身就是个光源）。物体颜色一般是通过计算入射光（白色）的反射比例得出的。因为反射出来的光小于接受的光，比值永远小于1。这就是为啥物体的颜色定义在0到1之间，如果是RGB的话就是0到255之间。举例，当比值或颜色或albedo（一回事儿）是0.18，意思就是物体把所接受到的光的18%反射到了环境中。

如果一个物体表面的入射光的能量是1000，物体的颜色是0.5，那么眼睛看到的就是反射出来的500。（注意从物理角度看，这么说是错的，只是在学习着色时，这样解释比较直观）。

为了计算某一点颜色，需要知道两件事：

  • 该点处落了多少光。

  • 该点的观察角度反射出多少光。

不要忘了，对于一个光泽表面，光反射的量和观察角度有关。

假设物体颜色已知，求一，有多少光到达点P？二，从点P到眼睛的方向上反射出多少光？

着色

  • 第一个问题就是计算光线传输（直接光照和间接光照），着色的作用就是明确了光线的选择（只在乎视角方向的光线）。

  • 第二个问题比较复杂，接下来慢慢说。

首先，从表面反射回环境中的光线和物体材质有着非常复杂的交互。

  • 这些交互一般很难模拟。

  • 光反射的量取决于视角方向。除了完美的漫反射表面以外，入射光在每个方向上的反射不是完全相等的。而现实中，绝大部分物体都是漫反射和镜面反射的混合。

  • 光在视角方向上反射的量还取决于入射光的方向。如图3，入射角和反射角都相等，但视角不同。上方图反射光正好进入眼睛，而下方的图则不是，眼睛就看不到了。

反射光

总结一下
- 模拟光物交互太难（微观或者原子层面），需要另辟蹊径。
- 光反射的量和视角方向ωv有关。
- 给定了ωv的情况下，光反射的量取决于入射光ωi。

着色器，你可以看作是渲染过程的一部分，它负责计算光从表面反射到眼睛（或者场景中其它表面）的量。这至少和两个变量有关：入射光方向，视角方向。入射光和物体本身无关，而反射光取决于物体类型：漫反射表面，还是镜面表面？

收集抵达P点的光线是一个光线传输问题，不过到此为止，我们都算作是着色器。可以把一个着色器当作是程序中的程序，把入射光方向和视角方向看作输入，把这些方向上，表面将反射的光作为输出。

`反射光比例 = shader(ωi,ωo)`

如此复杂的光物交互可以用一个很简单的数学公式来模拟：

`ωr=ωi−2(N.ωi)N`

白话就是，反射方向等于入射方向减去，2倍的法线点乘入射方向再乘以法线。记住，ωr=ωo时，反射率为1（图3上），否则为0（图3下）。

其实这个公式就是完全镜面反射，这个例子在实际过程中根本不会用到。只是用来了解光在难以模拟的时候是如何用数学模型来计算的。这也就是着色器真正的作用：将复杂的光物交互用数学模型代替，虽然不是非常精确或者不符合物理现象，但确是能得到有意义的近似结果。研究着色就是开发新的数学模型，这个本身难度就很高，而且不同的材质影响不同，需要不同的模型，比如为棉花开发一种模型，为丝绸要开发另一种模型。

对于漫反射表面，反射光线在任何角度都是相等的。眼睛看到的光线就是达到表面光线的总量乘以表面颜色（即一部反射回环境的入射光），有时候还会再除以一些数学或者物理上用到的系数。还有一点关于漫反射，入射光和反射光的方向不影响反射量。

总结

光线传输和着色之间分的没那么清，实际上光线传输算法经常会依赖着色器，找出计算入射光所产生的二次射线的方向。

对于着色有两件事情需要记住：

  • 着色，是渲染过程的一部分，用来计算光反射到任意视野方向上的量。换句话说，就是图片中物体最终显示的具体样子、颜色、材质、亮度，等等。 模拟一个物体的形状只需要想一个问题：物体接受的光的总量中，有多少反射回了眼睛里（或者说当计算间接光照时，任意方向上的光有多少是有实际意义的）。

  • 把着色器当作一个用来解决问题的黑盒。“如果一块木头做的物体被来自方向ωi的光照着，那么反射回环境中在方向ωv上的光有多少？”。着色器就是用来解决这个问题的。把着色器比作黑盒不是因为它内在很神秘，而是因为它可以看作是渲染系统中一个比较独立的模块，这也是为什么着色器的API写起来和应用程序其它部分没什么关系。