Games104 现代游戏引擎（4）光与材质的魔法
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2024-12-01 09:17:42
渲染方程描述了光源照射到观察点的光线路径，将出射方向的辐射强度视为光源在这个方向的辐射与由其他地方反射到观察点的辐射之和。早期的游戏引擎直接添加环境光，使场景亮度统一，但这种做法忽略了真实光照的复杂性，导致画面显得过于平面化。全局光照的引入则能显著提升场景的真实感，通过捕捉环境中的所有光照信息，使得游戏世界更加生动与立体。
为了更有效地处理光照计算，引入了傅里叶变换与球面谐波函数（SH）的概念。傅里叶变换将图像分解为其在不同频率上的成分，使得图像处理在频域中进行，大幅度减少计算量。球面谐波函数将光照信号表示为一系列调和函数的线性组合，利用其在球面上形成的正交基特性，可以将光照信号转换为频域表示，便于后续处理。通过球面谐波函数，可以压缩光照信息，仅存储少量系数，使得光照计算更为高效。
在实际应用中，预计算全局光照（GI）通过创建光照贴图来实现。光探测（Light Probe）技术在游戏场景中放置多个点来记录光照信息，用于补充全局光照效果，提高光照的细节与准确性。基于图像的光照（IBL）则是通过预计算环境光与反射光，形成预设的光照环境，简化实时渲染中的光照计算。
材质模型方面，早期的Blinn-Phong模型考虑了环境光、漫反射光与高光，但在细节表现上存在局限性。物理基于渲染（PBR）通过BRDF模型引入了菲涅尔反射概念，更真实地模拟金属与非金属材质的光反射特性。SG模型（Specular Glossiness）与MR模型（Metallic Roughness）分别通过简化参数与降低复杂度，提高了材质表现的稳定性与易用性。
阴影效果的实现同样至关重要。Shadow Map通过两次渲染来创建阴影，但在复杂场景中可能导致性能瓶颈。Cascade Shadow通过分层优化，提高阴影在不同距离的准确性，有效减少计算负担。而真实阴影（Soft Shadow）技术，如PCF（Percentage Closer Filter）、PCSS（Percentage Closer Soft Shadow）与VSSM（Variance Soft Shadow Map），进一步提升了阴影的自然感与视觉效果，实现更平滑、真实的阴影过渡。
随着技术的发展，现代游戏引擎越来越依赖于先进的光照与材质处理，以及高效的阴影生成方法，以提供更加逼真、沉浸的视觉体验。同时，Shader管理技术的优化，如Uber Shader与跨平台编译，也成为了提升性能与兼容性的重要手段。
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