光照与阴影技术

# 1. 光照与阴影技术概述

## 1.1 光照与阴影技术的基本概念
光照与阴影技术是计算机图形学中的重要技术之一，用于模拟光线在三维场景中的传播和交互，以及物体之间的阴影关系。通过对光照和阴影的计算和模拟，可以增强图形场景的真实感和观赏性，提升视觉效果。

## 1.2 光照与阴影技术在计算机图形学中的作用
在计算机图形学中，光照与阴影技术可以提高场景的逼真度和视觉效果，使场景中的物体呈现出更加真实的光影效果，从而增强用户的沉浸感和观赏体验。同时，光照与阴影技术也是构建逼真虚拟现实和增强现实环境的重要基础。

## 1.3 光照与阴影技术的发展历程
随着计算机图形学和图形渲染技术的不断发展，光照与阴影技术也在不断演进和完善。从最早的简单光照模型到基于物理的真实光照模拟，再到实时光照与阴影计算的技术突破，光照与阴影技术的发展历程经历了多个重要的里程碑，为计算机图形学的进步和发展做出了重要贡献。

# 2. 光照技术原理与算法

光照技术是计算机图形学中的一个重要组成部分，它模拟了现实世界中的光照效果，使得计算机生成的图像更加真实和逼真。本章将介绍光照技术的原理和常用的算法。

### 2.1 光照模型及其分类

光照模型是描述光源、物体表面和相机之间相互作用的数学模型。它以光源为中心，通过考虑光的衰减、反射、折射等因素，计算得出物体表面上不同点的亮度。常见的光照模型主要分为以下几类：

- **环境光照模型**：环境光是指在没有明确光源的情况下，由周围物体反射回的光。环境光照模型通常将物体的亮度看作一个常量，使得整个场景保持一致的亮度和颜色。

- **漫反射光照模型**：漫反射是指光线在物体表面上均匀地反射的现象。漫反射光照模型根据光线与表面法线的夹角计算不同点的亮度，使得物体表面上法线方向与光线方向相对的点比较亮。

- **镜面反射光照模型**：镜面反射是指光线在物体表面上清晰地反射的现象。镜面反射光照模型根据光线的入射角和出射角计算不同点的亮度，使得物体表面上法线方向与光线方向相同的点比较亮。

- **阴影光照模型**：阴影是由于光线被物体阻挡而产生的暗区。阴影光照模型通常考虑到光源的位置、物体的形状和相机的位置，通过计算光线与物体的相交情况，得到阴影的效果。

### 2.2 光照计算的基本原理

光照计算是指根据光照模型和物体表面的属性计算物体的亮度。其基本原理包括以下几个步骤：

1. **确定光源的属性**：包括光源的位置、颜色、强度等信息。不同类型的光源会对物体的亮度产生不同的影响。

2. **获取物体表面的属性**：包括物体表面的法线、颜色、材质等信息。法线可以用来计算光照模型中的漫反射和镜面反射成分，而颜色和材质可以用来计算环境光照成分。

3. **计算光照强度的衰减**：光线在传播过程中会随着距离的增加而衰减。根据光线的入射距离和物体的距离，可以计算得到光线的衰减强度。

4. **计算光线与物体表面的相互作用**：根据光照模型的具体公式，结合光源的属性和物体表面的属性，计算出最终的亮度值。

### 2.3 基于物理的光照算法

基于物理的光照算法是一种根据光的物理特性进行光照计算的方法。它基于光的能量守恒定律和光的反射、折射等现象，通过求解光传播方程，得到物体表面上各点的亮度分布。

常见的基于物理的光照算法包括：

- **经典的光线追踪算法**：光线追踪算法通过追踪光线的路径，计算每个像素点的光照强度。它可以模拟透明材质、镜面反射等效果，生成具有良好的真实感的图像。

- **辐射度计算算法**：辐射度计算算法将光照计算转化为对物体表面上每个点的辐射度进行求解。通过建立辐射度方程和边界条件，可以得到物体表面上每个点的亮度分布。

- **光子映射算法**：光子映射算法通过发射大量的光子，模拟光线在场景中的传播过程。通过对光子进行采样、传播和衰减，然后进行辐射度的计算，得到最终的亮度分布。

**代码示例（Python）**：

import numpy as np

def compute_l