镜面反射与粗糙度

镜面反射与粗糙度是计算机图形学中非常重要的概念之一。在渲染过程中，光线会与物体相互作用，并使其表现出镜面反射和散射。在这篇介绍中，我们将探索镜面反射和粗糙度，并给出一些常见的实现方法。

镜面反射

镜面反射是指光线趋向于反射到一个表面上，而不是被吸收或散射。这种现象在极晶莹剔透的物体，如水或钻石中很明显。镜面反射可以用来模拟光斑或闪光，使计算机图像更加真实。

实现镜面反射需要计算反射向量。反射向量是指一个光线通过反向表面的入射角度和出射角度之间的线性关系。在计算机图形学中，可以使用斯涅尔定律理论进行计算。

下面是一个计算反射向量的例子：

vec3 reflect(vec3 I, vec3 N) {
    return I - 2.0 * dot(I, N) * N;
}

其中I是入射光线的向量，N是表面的法向量。上述代码根据反射向量的定义进行计算，返回反射光线的向量。

粗糙度

与光滑表面相反，粗糙表面会引起光散射的现象，散射效果很难通过简单的镜面反射计算实现。因此，为了更好地模拟粗糙表面，需要引入粗糙度参数。

粗糙度可以被视为一个随机化参数。如果一个表面越粗糙，光线就越容易被散射，并失去其反射特征。一些常见的粗糙度参数包括高斯粗糙度，Trowbridge-Reitz粗糙度等。

可以使用下面的GLSL函数来计算高斯粗糙度：

float gaussian(float roughness, float NoH) {
    float a = roughness * roughness;
    float b = NoH * NoH;
    return exp(-(b - 1.0) / (a * b)) / (a * b * PI);
}

其中NoH是入射向量与半角向量之间的余弦值，PI是圆周率。上述代码计算了基于高斯分布的粗糙度，并返回其结果。

总结

镜面反射和粗糙度是计算机图形学中非常重要的概念。通过合理的计算和参数选择，可以模拟出非常真实的光照效果。在实际应用中，需要根据具体情况选择不同的方法，并结合一些其他技术，如阴影和环境反射，以生成更加逼真的场景。