菲尼爾在三維渲染中的應(yīng)用

馮碩

摘要：在三維渲染中菲涅爾（Fresnel）的概念變得更為廣泛，除了涵蓋上述菲涅爾反射（Fresnel Reflection）的概念外，還包括了在各個常見材質(zhì)通道上使用菲尼爾的方法，它不再單純指反射的效果，更多的是指某一屬性隨著視線夾角而產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：渲染、三維、菲尼爾、反射、Fresnel、Reflection

菲涅爾（Fresnel）是三維渲染中最常見的概念之一，廣泛應(yīng)用在影視動畫和游戲的工作流程之中。很多類型的材質(zhì)都離不開菲尼爾的參與，它可以幫我們實現(xiàn)寫實和抽象的材質(zhì)效果。菲涅爾可以控制材質(zhì)的表面顏色，反射、折射程度以及金屬性、透明度等通道的變化，提高我們在創(chuàng)作中的靈活度，是我們在三維創(chuàng)作中重要的工具之一。

菲涅爾（Fresnel）最早指的是菲涅爾反射（Fresnel Reflection）這一概念，這是一種真實的物理現(xiàn)象在計算機圖形學中的實際應(yīng)用。菲涅耳公式（或菲涅耳方程），由奧古斯丁·讓·菲涅耳導出。用來描述光在不同折射率的介質(zhì)之間的行為。由公式推導出的光的反射稱之為“菲涅爾反射”。菲涅爾公式是光學中的重要公式，用它能解釋反射光的強度、折射光的強度、相位與入射光的強度的關(guān)系。在三維渲染中，通?？梢杂胟d，ks，kt（分別代表物體的漫反射系數(shù)，鏡面反射系數(shù)，透射系數(shù)）來簡單地描述一個物體的基本材質(zhì)，例如，我們將一個物體設(shè)置為：kd=0，ks=0.1，kt=0.9，即代表一束光擊中該物體表面后，其中的90%發(fā)生透射（折射），另外10%被表面反射回來。這代表了無論光線以何種角度擊中物體表面，它的反射率和透射率都是一樣的。但是實際生活中是否是這樣的呢？試想，你站在湖邊，低頭看腳下的水，你會發(fā)現(xiàn)水是透明的，反射不是特別強烈；如果你看遠處的湖面，你會發(fā)現(xiàn)水并不是透明的，反射非常強烈。簡單的講，就是視線垂直于表面時，反射較弱，而當視線非垂直表面時，夾角越小，反射越明顯。如果你看向一個圓球，那圓球中心的反射較弱，靠近邊緣較強，這就是“菲涅爾效應(yīng)”。不同材質(zhì)的菲涅爾效應(yīng)強弱不同，導體（如金屬）的菲涅爾反射效應(yīng)很弱，就拿鋁來說，其反射率在所有角度下幾乎都保持在86%以上，隨角度變化很小，而絕緣體材質(zhì)的菲涅爾效應(yīng)就很明顯，比如折射率為1.5的玻璃，在表面法向量方向的反射率僅為4%，但當視線與表面法向量夾角很大的時候，反射率可以接近100%，這一現(xiàn)象也使得金屬與非金屬看起來不同。

目前，在三維渲染中菲涅爾（Fresnel）的概念變得更為廣泛，除了涵蓋上述菲涅爾反射（Fresnel Reflection）的概念外，還包括了在各個常見材質(zhì)通道上使用菲尼爾的方法，它不再單純指反射的效果，更多的是指某一屬性隨著視線夾角而產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。例如，創(chuàng)建影片或過場動畫時，使用者通常需要一種更好的方式來凸顯人物的輪廓。這種光照技術(shù)通常被稱為"邊緣光照"，它牽涉到添加額外光線，以便將人物輪廓從背景中區(qū)分開來。雖然此技術(shù)會讓影片增色不少，但是向3D場景添加更多光照同時也意味著復雜性的增大，情況可能難以掌控。很多三維軟件就為此提供了一些解決方案，使美術(shù)師能使用角色材質(zhì)來模擬相同的基礎(chǔ)效果。 如此一來，美術(shù)師便能更好地掌控效果的觀感，甚至通過一些技巧來提高性能，這就是菲涅爾（Fresnel）在自發(fā)光通道上的應(yīng)用實例。

簡單來說菲涅爾（Fresnel）就是指光照基于觀察者的角度來形成不同強度反射的現(xiàn)象。菲涅爾材質(zhì)表達式節(jié)點將根據(jù)表面法線和相機方向的點乘積來計算衰減。 當表面法線正對相機時，輸出值為0，這意味著不應(yīng)出現(xiàn)菲涅爾效果。 而表面法線與相機垂直時，輸出值為1，這意味著將產(chǎn)生完整的菲涅爾效果。比如我們用菲涅爾（Fresnel）來控制材質(zhì)的顏色通道，菲涅爾（Fresnel）作為一個采樣工具會告訴我們一個起伏的曲面上每個點的采樣值，這個采樣值介于0-1之間。同時我們可以連接一張漸變貼圖，漸變貼圖的色彩也可以理解為0-1的線性變化，比如一張藍綠貼圖，藍色代表0，綠色代表1，中間過渡部分代表0-1之間的數(shù)值。那么采樣值為0的點就會被指定為藍色，采樣值為1的點就會被指定為綠色，中間值將會被指定為過渡顏色。通過這種方法，我們就可以方便的控制物體表面的漸變顏色了，而菲涅爾（Fresnel）的采樣值起到關(guān)鍵的作用。再比如我們用菲涅爾（Fresnel）來控制材質(zhì)的透明通道，菲涅爾（Fresnel）作為一個采樣工具會告訴我們一個起伏的曲面上每個點的采樣值，這個采樣值介于0-1之間。同時我們可以連接一張黑白漸變貼圖，漸變貼圖的色彩同樣可以理解為0-1的線性變化，黑色代表0，白色代表1，中間灰色部分代表0-1之間的數(shù)值。那么采樣值為0的點就會被指定為黑色，變得不透明，采樣值為1的點就會被指定為白色，變成完全透明，中間值將會被指定為過渡的灰色，變成不同程度的半透明效果。通過這種方法，我們就可以方便的控制材質(zhì)的透明效果了，比如我們可以讓物體的中間比邊緣更透明一些，這可以讓我們制作的材質(zhì)更加真實，當然我們也可以反其道而行，制作一些抽象的效果，甚至更改黑白貼圖為彩色貼圖，制作出更有趣的效果，很顯然這個工具讓我們的工作更加靈活。

除此之外，菲涅爾反射（Fresnel Reflection）還會影響到我們的材質(zhì)類型，當反射被定義為沒有菲涅爾反射時，即視線垂直表面和非垂直表面的反射相等時，這時材質(zhì)更接近于金屬材質(zhì)，反之則更接近于非金屬。綜上所述，對菲涅爾（Fresnel）的理解和靈活使用對三維材質(zhì)的理解和使用都起到重要作用，值得我們深入研究和實踐。