理解光泽度的菲涅尔效应 – Glossy Fresnel

alSurface shader 与 V-Ray 3.4 的标准 VRayMtl 材质的其中一项差别是:根据的材质 BRDF,菲涅尔(Fresnel)效果是否会受到材质光泽度(glossiness)的影响。这个功能一般被称为 Glossy Fresnel (或称Rough Fresnel)。在即将推出的新版 V-Ray (3.5版)中,Glossy Fresnel 特性将会在标准的 V-Ray shader 中被实现。既然如此,在这篇文章中,我们将会说明这个功能的含义,以及为什么它更精确。

首先我们复习一下菲涅尔效应(Fresnel effect)。每种材质都带有 Fresnel 数值,这是根据其折射率(index of refraction-IOR)所决定。这个值表明了会有多少光线从物体表面被反弹而出,以及又有多少光线被物体吸收。以相切的角度观察的表面,比正对相机的表面,会反射更多的入射光。换句话说,重点在于,法线方向正对相机的表面,比法线方向侧对相机的表面,要反射更少的光线。

第二点要注意的是,有的 BRDFs 会考虑微表面(microfaceting),而有的则没有考虑,你要理解这两种的区别。举个具体的例子来说:GGX 属于前者,Phong 属于后者。

以 Phong 模型为例(上图),根据其光泽度(glossiness)的数值,它会以一个可预见的方式,向一个叶瓣状(lobe)的方向分布反弹射线(rays)。但是,所有根据 Phong 模型分布的射线,它会假定这支射线的法线方向,和整个大表面总的法线方向是同一个。这样一来,对于每一只散射射线来说,反射菲涅尔效应对其的影响是均等的。

像 GGX 这样的具有微表面的BRDF模型(上图),模拟了材质表面的粗糙程度,它会把材质表面当成在微观水平上由无数崎岖不平的微小表面所组成的宏观整体。它实际上是更为准确的反映了物体表面对光线的作用。你现在不需要想象一只射线被表面均匀散射开的场景,而是可以想象,不同的微小射线,被微表面(microfacets)散射到不同的方向。

每一个微表面都有它自己独立的法线,一般来说,会稍微偏向一点射线的来向。在粗糙表面上的掠射角(grazing angle,入射余角),不会像在光滑表面上的那么锐,换句话说就是粗糙表面的法线会比光滑表面的法线偏向摄像机更多一些。这样一来,相同的掠射角方向看过去,粗糙表面的菲涅尔效应,要比光滑表面的菲涅尔效应弱一些。

让我们来看一些实例:



以下是一个Glossy Fresnel效果开启和关闭的对比实际案例:

总的来说,大部分人会很直观地感受到,开启 Glossy Fresnel 后,整体的反射会稍微暗淡一些。但是,因为 Glossy Fresnel 是在物理上更精确的,所以这个结果是更接近现实生活的,整体上会更接近参考照片。

感谢 Fausto De Martini 提供场景模型:

因为 GGX 模型以及 Glossy Fresnel 现象是对材质的物理特性的更准确的再现,新版的 V-Ray (3.5)中,GGX 和 Glossy Fresnel 将会被设为默认值。如果你想要维持旧版的效果的话,你可以手动把它关掉。

留言

*
*