高级光线传播与复杂外观建模

上一章我们把材质理解成“表面对光的响应规则”。这已经能解释塑料、金属、粗糙度、高光和基础 PBR 参数。但真实世界里还有很多外观不只发生在表面：光会进入玻璃，穿过水雾，在皮肤内部散开，在头发纤维之间多次反射，在布料纤维之间产生柔和的边缘亮度。

这一章的重点是：复杂外观往往来自更复杂的光线路径。 它不一定是“贴图更多”，而是光在表面、内部和介质中的传播方式变多了。

从表面外观到光传输

普通不透明材质可以近似认为：光打到表面，立刻在表面被反射或吸收。这个假设很有用，也足够覆盖大量物体。

但有些材料不能这样简单处理：

玻璃、水和宝石会让光进入物体，并改变方向。
皮肤、蜡、牛奶、玉石会让光进入内部，然后在别的位置散出。
烟、雾、云、浑浊水体会在空间中吸收和散射光。
头发和毛皮由大量细纤维组成，光会沿纤维方向产生特殊高光。
布料由纱线交织而成，反射取决于纤维方向和微小阴影。

这时材质模型要描述的不只是某个表面点的反射，还要描述光在物体内部或介质中如何继续传播。

复杂外观中的光传输类型

透明与折射

透明材质最直观：光可以穿过物体。真正的难点不在“看得见后面”，而在光线进入不同介质时会改变方向。

折射方向由介质折射率决定。空气、水、玻璃、钻石的折射率不同，所以光线弯折程度也不同。图形学中常用 IOR 表示折射率。

空气 IOR 约 1.0
水 IOR 约 1.33
普通玻璃 IOR 约 1.5
钻石 IOR 约 2.4

折射材质还会产生两个重要现象：

菲涅耳反射。 视角越接近掠射方向，反射越强，透射越弱。
全内反射。 光从高折射率介质进入低折射率介质时，某些角度下无法折射出去，只能反射回内部。

这就是玻璃和水面在不同角度下外观变化很大的原因。

吸收与有色透射

透明不代表完全无色。光在介质中传播时可能被吸收，传播距离越长，被吸收得越多。

例如一杯清水看起来几乎无色，但深海会呈现蓝色；一块薄玻璃颜色很淡，厚玻璃边缘颜色更明显。这类现象可以用吸收描述。

透射光 ≈ 入射光 × exp(-吸收系数 × 路径长度)

这说明颜色不仅取决于材质参数，还取决于光在物体内部走了多远。厚的地方更暗、更有颜色，薄的地方更接近透明。

次表面散射

次表面散射描述光进入物体内部后，经过多次散射，再从附近另一个位置出来。它常见于皮肤、蜡、玉石、牛奶、树叶和某些塑料。

如果没有次表面散射，皮肤常会像塑料一样硬；蜡烛和玉石会缺少半透明的温润感。次表面散射让阴影边缘更柔，薄的区域更容易透光，颜色也会在内部传播。

可以从三件事理解它：

进入。 光先穿过表面进入内部。
扩散。 光在内部被多次散射，方向变得随机。
离开。 光从另一个位置离开表面，形成柔和、半透明的外观。

实时渲染中常用近似方法，例如屏幕空间次表面散射、预积分皮肤着色或厚度贴图；离线渲染中可以通过随机游走或扩散近似更准确地模拟。

交互辅助：表面、内部与体积

下面的小程序把三种传播方式放在一起：普通表面反射、次表面散射、体积吸收/散射。它的目的不是做真实渲染，而是帮助你观察“光走在哪里”。

传播模式厚度 0.48 散射强度 0.58

表面反射把光留在命中点附近；次表面散射让光进入物体后从附近散出；体积介质让光在空间中逐步衰减并向周围散射。

可以重点观察：

表面模式下，光主要在命中点附近反射。
次表面模式下，光会进入物体内部，并从附近区域柔和散出。
体积模式下，光在空间中被吸收和散射，路径会逐渐衰减。
把厚度调大时，内部传播和吸收会更明显。

体积介质

体积介质指光在空间中传播时就会与介质发生作用，而不是等到碰到表面才变化。雾、烟、云、尘埃、水下悬浮颗粒都属于这一类。

体积渲染通常需要处理三个过程：

吸收。 光能量被介质吸收，路径越长越暗。
外散射。 光从当前方向散射到其他方向，使原方向能量减少。
内散射。 其他方向的光散射进当前视线，使介质本身看起来发亮。

这解释了为什么远山在雾中更浅，为什么手电筒光柱在烟雾里可见，为什么云不是简单的白色表面，而是有厚度、有暗部、有边缘透光。

体积渲染的代价通常很高，因为光线不只要找表面交点，还要沿着空间路径积分。实时渲染常用体积纹理、切片、步进采样、低分辨率体积缓冲和时域累积来近似。

毛发与纤维

头发、毛皮和纤维不是普通光滑表面。每根头发都像细长的半透明曲线，光会沿纤维方向产生各向异性高光，还可能进入发丝内部再折射或反射出来。

头发外观有几个明显特征：

高光通常沿发束方向延展，而不是圆形亮点。
不同颜色头发对光的吸收不同，深色头发更容易吸收光。
大量发丝之间会互相遮挡，形成柔软但复杂的阴影。
逆光下发丝边缘常出现明亮轮廓。

因此毛发渲染通常需要专门的 BSDF，而不是直接套用普通表面材质。

布料与微结构

布料看似不透明，但它的外观来自纤维和纱线的微结构。丝绸、棉布、羊毛、天鹅绒的差别不仅是颜色不同，而是纤维方向、绒毛高度、微小阴影和反射分布不同。

例如天鹅绒在掠射角会出现很强的边缘亮度；丝绸有明显方向性高光；粗布的反射更散，细节更多来自法线和遮蔽。

布料建模可以从三个层次看：

宏观形状。 褶皱、垂坠、轮廓。
中观结构。 纱线交织方向和重复图案。
微观纤维。 绒毛、细丝和局部遮挡。

实时渲染常把这些层次压缩进法线贴图、粗糙度贴图、各向异性参数和特殊边缘反射项里。

焦散

焦散是光经过镜面反射或折射后，被集中到某些区域形成的亮纹。水杯在桌面上的亮斑、游泳池底部的波纹、宝石内部的强烈亮线都属于焦散。

焦散难渲染，是因为贡献集中在很少的路径上。普通路径追踪从相机出发随机反弹，刚好经过“光源 → 镜面/玻璃 → 某个表面 → 相机”的概率很低，所以需要大量样本才稳定。

常见解决思路包括：

从光源出发追踪光子，记录能量分布。
使用双向路径追踪，同时从相机和光源构造路径。
使用特殊采样策略，提高命中高贡献路径的概率。
在实时渲染中用贴图、屏幕空间方法或预计算近似。

复杂外观建模的取舍

复杂外观越真实，通常成本越高。实际项目里很少无条件追求最物理的解法，而是根据镜头距离、性能预算和视觉重要性取舍。

先判断光是否进入物体。
如果只在表面反射，普通 PBR 可能足够；如果进入内部，就要考虑透射、吸收或次表面散射。
判断效果是否影响轮廓和阴影。
只影响局部质感的效果可以用贴图近似；影响大范围光照的效果可能需要真正的光传输模型。
判断是否需要方向性。
头发、布料、拉丝金属这类材质往往需要各向异性。
根据距离选择层级。
近景角色皮肤可能需要复杂 SSS，远景角色可以用更简单的近似。
用参考图校准。
复杂外观很容易“看起来高级但不真实”，需要真实照片或扫描材质作为参照。

常见误区

学习复杂外观时，最容易遇到几个误区：

把透明度当作玻璃。 玻璃需要反射、折射、菲涅耳、吸收和厚度，单纯透明只会像淡化的塑料。
把次表面散射当作模糊。 SSS 不是简单把颜色涂开，而是光在内部传播后从附近散出。
把体积当作半透明平面。 雾和烟存在于空间中，亮度与路径长度、光照方向和密度有关。
把毛发当作普通细圆柱。 头发有专门的方向性反射和内部吸收。
忽略尺度。 同样的吸收系数，在小物体和大物体上会产生完全不同的颜色深度。

这些误区背后有同一个原因：只看最终颜色，而没有追踪光到底走了哪条路。

本章小结

本章把外观建模从普通表面推进到了更复杂的光传输：

透明和折射描述光进入不同介质后改变方向。
吸收让透射颜色与路径长度相关，厚处更暗也更有色。
次表面散射让光进入内部，再从附近柔和散出。
体积介质让光在空间路径中被吸收、外散射和内散射。
毛发、布料和纤维材质需要考虑方向性和微结构。
焦散来自高能量路径的集中，通常需要更专门的采样方法。

到这里，我们已经从几何、光线、材质走到了复杂外观。下一章会把视角切换到相机与透镜：同一个场景，为什么换一个镜头、焦距、光圈或曝光设置，画面表达会完全不同。