图形学中的辐射度

图形学中的辐射度

 
 

写在前面

  光线追踪中最基础的部分是光线的传播和反射（一般把表面双向透射分布函数[BTDF]和双向反射分布函数[BRDF]统一处理为 BSDF，即双向散射分布函数），辐射度测量学则提供了相关数学概念，构成了基于物理渲染算法推导过程的基本内容。
  本文使用和 PBRT 相同的左手系，即球坐标中 \\phi 表示范围为 [0,2\\pi) 的旋转角，方向以左手法则沿四指旋转为正；\\theta 表示 [0,\\pi] 的俯仰角，由上方向（本文默认为 z 轴）向平面倾斜的角度。但是，使用哪一种坐标系对渲染没有影响。
 

辐射度基本量值

  辐射度可以简单理解为光照的强弱程度，一般用一个变量 Spectrum 来表示，通俗的来说就是光照的 R,G,B 值。
  渲染中使用的量值一般有以下四种：通量（flux）、入（出）射辐射照度(irradiance/radiant exitance)、光强(intensity)和辐射亮度（radiance），以上所有的量值都是波长相关的，且由能量学推导而出。
  大家可能会感到迷惑，辐射照度和辐射亮度有什么区别？其实光从英文名字上就会发现真的非常相似，而国内的书籍都同样翻译成辐射度而已，但其实两者相差比较大，我刻意在名称上加以区分，关于网上的理解可以看[这里][1]。
  总的来说，辐射照度表示某一极小区域对所有可能方向发出或接收的功率，表示为功率对面积的微分：\\Phi\\over dA；辐射亮度表示该极小区域对特定方向发出或接收的功率，表示为功率对面积以及方向的微分：\\Phi\\over{dAd\\omega}，辐射亮度对所有方向光照功率的积分就表示辐射照度。
  更直白一些，计算机中能用 R,G,B 直接表示的一般都是辐射亮度，而辐射照度表示一个积分，毫不客气地说，解辐射照度积分几乎等同于解渲染方程。是不是还不太清楚？请先看下去。
 

能量

  能量用焦耳表示，光源发射光子会携带特定数量的能量和特定波长的光子。光子携带能量和波长的关系是

\\displaystyle Q={hc\\over\\lambda}

  其中 c 表示光速（299,472,458\\,m/s），h 表示普朗克常数（6.626 * 10^{-34}\\,m^2kg/s）
 

通量

  辐射通量又称为功率（power），表示单位时间内通过表面或者区域的所有能量，单位为瓦特（W）。辐射通量可以使用能量对时间的微分得到：

\\displaystyle \\Phi=\\lim_{\\Delta t\\to0}{\\Delta Q\\over\\Delta t}={dQ\\over dt}
  通常来说，已知通量关于时间的函数，可以使用积分得到能量：
\\displaystyle Q=\\int^{t_1}_{t_0}\\Phi(t)\,dt
  下图显示了光源的通量，针对围绕该光源的虚拟球体，虽然较大球体每单位表面积穿越的能量较少，但两个球体的全部通量相等。

两个球体半径不同，通量相同
 

入射辐射照度和出射辐射照度

  已知一个有限的区域 A，可以定义该区域的平均能量密度为 E={\\Phi/A}。辐射通量到达表面的密度时使用 irradiance（E）来表示，辐射通量离开表示时用 radiant exitance（M）来表示，上述单位均使用 W/m^2 表示。之所以称为辐射照度，通常用来表示光源对点 p 处的影响，表示所有光线到达物体表面 p 点（单位面积）所产生的的能量，经常需要使用蒙特卡洛方法来进行采样估计辐射照度（渲染方程）。在某种程度上，辐射照度表示功率概念，辐射亮度表示在某一个方向观察该功率点观察到的强度（亮度）。
  对于上图所示，外部球体上一点的入射辐射照度大于内部球体的入射辐射照量，当球体半径为 r 时，有

\\displaystyle E={\\Phi\\over 4\\pi r^2}
  而且，上式也表示了一个非常重要的现象：功率以平方距离衰减。
  入射辐射照度和出射辐射照度也可以用通量相对面积的微分来表示：
\\displaystyle E(p)=\\lim_{\\Delta A\\to0}{\\Delta \\Phi(p)\\over \\Delta A}={d\\Phi(p)\\over dA}
  即\\displaystyle\\Phi=\\int_AE(p)\\,dA
  回忆一下 Lambertian 定律，为什么在光栅化渲染中，着色时总要乘一个余弦值？因为到达表面的光线数量正比于光线方向和表面法相夹角的余弦值，即光照强度不变的情况下，两者面积之比为余弦值，自然两者的功率（辐射照度）之比为余弦值的倒数。
Lambert定律。到达表面的辐射照度随光照入射夹角的余弦值变化
  对于面积为 A，通量为 \\Phi 的光源，如果垂直向下照射有
\\displaystyle E_1={\\Phi\\over A}如果光源和表面呈现一定角度，则接收光照的表面积将要增加为 A/cos\\theta，可以得到
\\displaystyle E_2={\\Phi cos\\theta\\over A}
 

立体角（solid angle）和光强

  还记得刚开始出现的 d\\omega 吗？它表示立体角，可视为平面内二维角度值在球体角度的拓展，在单位球体上投影面积的大小，如下图所示

对象 c 的立体角表示为：单位球上的投影面积，球体上最大为 4\\pi，半球中最大为 2\\pi。
  注意，立体角始终表示的是球面度的概念。对于这个角度使用 \\omega 来表示，而且立体角一般单位化后才有意义。在积分转换时，d\\omega 可以当做 dxdydz 来看待，因为在球上任意取一点，它向切面的任意方向偏移，对 xyz 的总体影响是相同的（平方和仍为 1），这符合立体角的定义。
  为什么不是球面坐标？当向下偏移的时候 \\phi 变大，而 \\theta 不变，需要额外乘上 sin\\theta 才能平衡，那么合起来有 \\,sin\\theta d\\phi d\\theta，固定 \\,r = 1。而恰好有\\,dxdydz=r^2sin\\theta dr d\\phi d\\theta，将 r 代入就说明两组基的转换差一个 sin\\theta。
  对于被单位球面包围的点光源，可以轻易地得到往各个方向的光强：
\\displaystyle I={\\Phi\\over 4\\pi}  对于通常意义上的光强，由通量相对立体角的微分得到：
\\displaystyle I=\\lim_{\\Delta\\omega\\to0}{\\Delta\\Phi\\over\\Delta\\omega}={d\\Phi\\over d\\omega}

  即

\\displaystyle\\Phi=\\int_\\Omega I(\\omega)\\,d\\omega
  通过前面的公式，光强又可以看做对一整块面积的辐射亮度的积分。即，光线从光源发出，撞击到某个区域的所有功率就称之为光强；辐射照度（功率）、辐射亮度、光强的联系一目了然了吧。
 

辐射亮度

  最后也是最重要的量值——辐射亮度（L），注意与辐射照度区分。辐射度表示单位面积单位立体角方向的功率，单位为 W/sr/m^2。请见如下定义：

\\displaystyle L(p,\\omega)=\\lim_{\\Delta\\omega\\to0}{\\Delta E_\\omega(p)\\over\\Delta\\omega}={dE_\\omega(p)\\over d\\omega}

  这里使用 E_\\omega 表示垂直于 \\omega 的辐射量。辐射度常常用来表示特定方向的光照功率大小，一般用来模拟反射光线以及符合 delta 分布的光源比如点光源，聚光灯，方向光等等。立体角将功率、立体角、面积联系起来，非正对面积需要考虑余弦项，如下所示：

\\displaystyle L={d\\Phi\\over d\\omega dA^\\bot}={d\\Phi cos\\theta \\over d\\omega dA}
  其中，A^\\bot 表示与 \\omega 垂直的投影面积。
辐射度 L 定义为每单位立体角 d\\omega 以及每单位投影面积 dA^\\bot 的通量
　
  辐射度表达了极限情况下，“一根光线”的功率大小，符合一般认知，但是要知道，生活中没有绝对的符合 delta 分布的光源，而且反射模型往往需要模拟反射整个半圆的光线（蒙特卡洛方法）来求辐射照度，对于区域光源的采样，以及各种反射模型能量计算，辐射照度必不可少。
 

渲染积分

  渲染中经常需要进行辐射量值的积分运算，有许多积分工具可以对此类计算进行简化。下面介绍三个渲染中比较重要的辐射照度积分的例子。
  使用采样入射辐射照度（E）计算作为示例。已知半球所有的方向集合为 \\Omega，法向量为 n 的点 p 处的入射辐射照度为：

\\displaystyle E(p,n)=\\int_\\Omega L_i(p,\\omega)\\vert cos\\theta\\vert\\,d\\omega
  其中， L_i(p,\\omega) 表示为入射辐射亮度函数，\\theta 表示为 \\omega 和表面法线 n 之间的夹角，辐射亮度 L 不论是入射还是出射，方向均指向半球外。如下图所示：点 p 处的辐射照度（E）表示为：在该点上方的半球体上，辐射量度乘以入射方向余弦值的积分
 

球体坐标积分运算

　　在渲染中，经常需要将立体角积分转换为球体坐标 (\\theta,\\phi) 积分。已知，(x,y,z) 可以根据球面角来表示表示，由下图所示：

\\left\\{ \\begin{array}{c} x=&sin\\theta\\,cos\\phi \\\\ y=&sin\\theta\\,sin\\phi \\\\ z=&cos\\theta \\end{array} \\right.

若给定 x,y,z 基向量，方向向量可根据球体坐标 (\\theta,\\phi) 表示。球面角公式可方便在两种表达方式之间予以转换。
  那么如何确定方向角的转换呢？由极限定理知道 r*d\\theta=弧长，所以微分面积 d\\omega 表示为微分边长 sin\\theta d\\phi 和 d\\theta 间的乘积，有d\\omega=sin\\theta d\\theta d\\phi。
微分立体角构成的微分面积 dA 表示为两条边的微分长度 sin\\theta d\\phi 和 d\\theta 之间的乘积。
最终结果 d\\omega=sin\\theta d\\theta d\\phi 为立体角积分和球面角积分转换间的核心内容。
  所以半球入射辐射照度又可记为如下形式
\\displaystyle E(p,n)=\\int^{2\\pi}_0\\int^{\\pi/2}_0L_i(p,\\theta,\\phi)cos\\theta sin\\theta\\,d\\theta d\\phi
  如果源自各方向的辐射度均等，则上式简化为 E=\\pi L_i
 

面积积分运算

  最后一个用于简化计算的积分转换是将方向积分转换为面积积分。比较难，主要用于解区域光源对某一点贡献的辐射照度。
  假设四边形包含恒定的出射辐射照度，并计算 p 点处的最终入射辐射照度。如果在这里直接进行方向积分缺乏直观性——判断某区域是否在特定方向可见比较麻烦；而使用面积积分进行计算则相对简单。
  微分面积与微分立体角有如下关联：

\\displaystyle d\\omega={dAcos\\theta\\over r^2}  其中，\\theta 表示为 dA 的表面法线和 p 向量之间的夹角，r 表示为 p 至 dA 之间的距离。此处并不打算对计算结果进行推导，面积在角方向上以 r^2 递增，且有一定偏向角，故而需要乘上 cos\\theta 来表示投影到单位半圆上的方位角微分。
微分面积 dA 形成的微分立体角等于 dAcos\\theta/r^2。

  因此，对于区域光源，入射辐射照度积分如下所示\\displaystyle E(p,n)=\\int_AL_icos\\theta_i{cos\\theta_odA\\over r^2}
  其中，L_i 表示此区域表面的发射辐射亮度，\\theta_i 表示点 p 处表面法线与光线上 p-p’ 方向之间的夹角，\\theta_o 表示光线上点 p’ 处表面法线与 p’-p 方向之间的夹角，如下图所示。
  当采用区域光源计算点 p 处的辐射照度，与不规则方向集的积分相比，可方便地采用表面积积分进行计算。

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本文参考：
[1] PBRT
[2] Irradiance和Radiance的区别
[3] 理解radiance irradiance