1
没有光照 = 只有纹理颜色
2
结果：物体看起来像 2D 贴纸——没有立体感，没有深度线索
3

4
加了光照 = 纹理颜色 × 光照计算
5
结果：物体朝向光源的面亮，背向光源的面暗——大脑从明暗变化中感知形状
6

7
光照模型的本质 = 模拟光子在物体表面的行为
8
  - 一部分光被表面反射（Diffuse + Specular）
9
  - 一部分光被吸收（变成热量——光追里才计算）
10
  - 一部分光从环境间接来（Ambient / Global Illumination）

1
Phong 光照 = Ambient + Diffuse + Specular
2

3
              ┌─────────────────────┐
4
              │ 表面最终颜色         │
5
              │                     │
6
              │ = 环境光（常亮）     │  ← 即使完全背光也有这个底色
7
              │ + 漫反射（明暗面）   │  ← 物体朝向光源的角度决定了亮度
8
              │ + 镜面高光（光斑）   │  ← 视线方向接近反射方向时出现亮点
9
              └─────────────────────┘

1
// 最简单的全局光照近似：所有表面都接收到相同的基础光照
2
float3 ambient = _AmbientColor.rgb * texColor.rgb * _AmbientIntensity;
3

4
// 为什么需要环境光？
5
// 现实中，背对太阳的墙面不是全黑的——天空和地面反射的光照亮了它
6
// 但实时渲染中计算所有间接反射太贵，环境光是一个粗略的近似
7
// PBR 中会用 IBL（Image-Based Lighting）替代这个粗略近似（Ch5）

1
// Lambert 余弦定律：表面接收的光能量 ∝ cos(入射角)
2
// cos(入射角) = dot(N, L)（法线 · 光线方向）
3

4
float3 N = normalize(input.worldNormal);   // 表面法线
5
float3 L = normalize(lightDir);           // 指向光源的方向
6
float NdotL = max(0, dot(N, L));          // 余弦值，不能为负
7

8
float3 diffuse = lightColor * texColor.rgb * NdotL;

1
一束光垂直照在表面上 → 所有能量集中在最小面积 → 最亮
2
  光源 ↓
3
  ═══════  法线 ∥ 光线 → dot(N, L) = 1 → 100% 能量
4

5
一束光斜照在表面上 → 同样能量分散到更大面积 → 较暗
6
  光源 ↘
7
     ═════  法线 ∦ 光线 → dot(N, L) = 0.5 → 50% 能量
8

9
关键认知：漫反射的亮度与视角无关——
10
从正面看和从侧面看，同一位置的颜色相同。
11
这是因为漫反射假设表面向所有方向均匀散射光。

1
// Phong Specular：反射向量 vs 视线方向的夹角
2
float3 R = reflect(-L, N);                // L 的反射方向
3
float3 V = normalize(viewDir);            // 指向摄像机的方向
4
float RdotV = max(0, dot(R, V));
5
float specular = pow(RdotV, shininess);   // shininess 控制高光大小
6

7
// shininess 的效果：
8
//   1   → 整个半球都是亮的（像粉笔）
9
//   32  → 中等大小的高光（像塑料）
10
//   128 → 小而亮的高光（像金属）
11
//   256 → 几乎是一个点（像镜子）

1
         法线 N
2
           ↑
3
   光源 →  │  ●  ← 眼睛（摄像机）
4
    L      │ /|\
5
           │/   \
6
  ═══════点═══════  表面
7

8
如果眼睛正好在反射方向 R 上 → RdotV ≈ 1 → 高光亮
9
如果眼睛偏离反射方向   → RdotV < 1 → pow() 后迅速衰减

1
// 不计算反射向量，而是用"半角向量"（Halfway Vector）
2
// H = normalize(L + V) —— 光源方向和视线方向的中间方向
3

4
float3 H = normalize(L + V);    // 半角向量——替代 R
5
float NdotH = max(0, dot(N, H));
6
float specular = pow(NdotH, shininess * 4);  // ×4 补偿——两种方法的衰减速度不同
7

8
// 为什么更快？
9
// Phong:   R = reflect(-L, N)  →  dot(R, V)   →  pow()
10
// Blinn:   H = L + V            →  dot(N, H)   →  pow()
11
//           ↑ 少了一次 reflect（内部有 dot 和 multiply）
12
// 而且当光源和视线都处于远处（方向光+正交投影）时，
13
// H 在整个表面上几乎恒定——可以在顶点着色器里算！

1
Phong 的思路：        Blinn-Phong 的思路：
2
"反射方向离视线多远？"  "半角向量离法线多远？"
3

4
    N ↑                    N ↑
5
      │  R                   │  H（半角向量）
6
  L → ╲  ╲ 眼睛              │ ╱
7
        ╲ ╲                 │╱
8
  ═══════点═══════       ═══点════
9

10
R 和 V 的夹角 ≈ H 和 N 的夹角的一半
11
所以 Blinn-Phong 的 shininess 需要 ×4 来匹配 Phong 的衰减速度

1
Phong/Blinn-Phong 是经验模型——不是基于物理的：
2
  - 调整参数完全靠"看着像不像"（调 Ambient 大小、调 Shininess）
3
  - 同一个材质在不同光照环境下需要重新调参
4
  - 高光和漫反射之间没有能量守恒——可能输入光 < 反射光（不真实）
5
  - 金属和非金属的光照行为完全不同，但 Phong 不区分

1
原则 1：基于物理的 BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）
2
  BRDF 描述了"一束光从一个方向射入，在各个方向上的反射分布"
3
  不是调参，而是用物理参数（粗糙度、金属度）代入物理公式
4

5
原则 2：能量守恒
6
  反射的光 ≤ 入射的光
7
  高光越强 → 漫反射越弱（能量守恒）
8
  粗糙表面：高光弱而分散，漫反射强
9
  光滑表面：高光强而集中，漫反射弱

1
                    粗糙度 0.0              粗糙度 1.0
2
金属度 0.0     光滑塑料——小亮高光        粉笔/布料——无高光
3
              漫反射强而均匀              漫反射强而均匀
4

5
金属度 1.0     镜面金属——小而极亮高光     粗糙金属——模糊高光
6
              高光带颜色（铜=红色高光）    高光带颜色但很散
7
              无漫反射！                  无漫反射！

1
1. 一套参数适配所有光照环境——室内/室外/白天/夜晚都不需要调参
2
2. 不同材质之间的一致性——金属看着像金属，木头看着像木头
3
3. 美术工作流标准化——Albedo/Metallic/Roughness 三张贴图
4
4. 能量守恒——画面物理正确，不会出现"发光木头"

1
高模：500 万面，雕刻了丰富的表面细节（皮肤的毛孔、布料的纹理）
2
低模：5000 面，只有大致的轮廓
3

4
问题：低模少了 99.9% 的面，光照计算的面法线数量也少了 99.9%
5
      → 光照看起来"平坦"——没有微观细节的明暗变化
6

7
解决方案：把高模的法线方向"烘焙"到一张贴图上（法线贴图）
8
         低模渲染时，片元着色器不取顶点插值法线，
9
         而是从法线贴图采样——每个像素获得不同的法线方向
10

11
结果：5000 面的低模看起来像 500 万面的高模——因为光照是逐像素计算的

1
世界空间的法线贴图：
2
  - 模型旋转后法线贴图就错了（世界坐标变了）
3
  - 不同模型不能复用同一张法线贴图（世界朝向不同）
4

5
切线空间的法线贴图：
6
  - 跟随模型旋转自动正确——因为切线和副切线跟着模型一起转
7
  - 同一张法线贴图可以用在不同模型上（只要 UV 布局一致）
8
  - 压缩更高效——切线空间法线的 Z 分量总是正数，可以只存 X、Y，Z 推算

1
// PBR 的核心价值：材质参数在任意光照下都正确
2
//
3
// 室内场景（暖光 + 暗环境）：
4
//   同一个 PBR 材质自动适配——由于能量守恒，不会过亮
5
//   金属会反射室内光源颜色，非金属保持本色
6
//
7
// 室外场景（冷光 + 天空环境光）：
8
//   同样的材质参数——更多漫反射（来自天空），高光偏蓝
9
//   不需要重新调参
10
//
11
// Phong 时代需要"同一模型在不同关卡调两套参数"——PBR 不需要

1
"两者的 Ambient 和 Diffuse 完全一样。区别只在 Specular 高光项。
2

3
Phong 用反射向量和视线方向的夹角：pow(dot(reflect(-L, N), V), shininess)
4
Blinn-Phong 用半角向量和法线的夹角：pow(dot(normalize(L+V), N), shininess×4)
5

6
Blinn-Phong 的优势：
7
1. 计算更快——半角向量 H = L+V 比 reflect(-L, N) 少运算
8
2. 方向光 + 正交投影时，H 在整个表面上恒定——可以在顶点着色器算
9
3. 高光形状更接近真实——Phong 偏圆，Blinn-Phong 偏椭圆
10

11
代价是 shininess 需要乘 4 来匹配衰减速度，但这是一次乘法——开销忽略不计。"

1
"传统光照模型（Phong/Blinn-Phong）是经验公式——Ambient 多大、Shininess 多少，
2
全靠美术调参，换个光照环境就要重新调。
3

4
PBR 的两个核心原则：
5
第一，基于物理的 BRDF——不是调参，而是用物理参数（粗糙度、金属度）
6
代入物理公式计算光的反射分布。
7
第二，能量守恒——反射的光不能超过入射的光。
8
高光越强漫反射越弱是自动保证的，不需要手动平衡。
9

10
PBR 让同一套材质参数在所有光照环境下都正确——这是它最大的工程价值。"

1
"法线贴图存储的是切线空间中的表面法线方向。
2
RGB 三个通道分别对应切线空间的 X（切线方向）、Y（副切线方向）、Z（法线方向）。
3

4
默认法线方向是笔直向外的 (0,0,1)，映射到 RGB 是 (128,128,255)——浅蓝紫色。
5
整张贴图偏蓝紫色是因为大部分区域的表面法线接近笔直向外，
6
只有细节部分（凹槽、凸起）的法线才会偏离，导致红/绿通道偏离 128。
7

8
用切线空间而非世界空间存储，是因为切线空间跟着模型旋转——
9
模型怎么转法线都正确，而且同一张贴图可以复用在不同模型上。"