深度解析：双向反射分布函数在计算机图形学中的关键作用

本篇文档是计算机图形学基础系列的第三讲，主题深入探讨了双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF)。BRDF是用于描述物体表面对光的反射特性的物理模型，在计算机图形学中扮演着核心角色，因为它直接影响到场景中光线的交互和渲染效果。 首先，预备知识部分涉及到了几个关键概念，这些是理解BRDF的基础。球面坐标系统（Spherical Coordinate）是表示光线方向的重要工具，它用三个参数（r, θ, ϕ）分别代表向量的长度、与z轴的夹角以及在x-y平面上的投影与x轴的夹角。这种坐标系统便于处理光线的方向性信息。立体角（Solid Angle）则是三维空间中描述从原点看向一个球面区域视角大小的概念，最大值为4π steradians，且其微分形式与球面坐标下的面积元素相关联。 接下来，文档详细讲解了BRDF的定义和性质，它是描述从特定入射方向和出射方向上，物体表面反射光强度的函数。理解BRDF模型有助于创建更真实、复杂的光照效果，因为不同的BRDF模型会反映物体表面的粗糙度、镜面反射或漫反射等特性。此外，课程还提到了光照的两种类型：局部光照（Local Illumination），涉及直接光源对物体的影响；和全局光照（Global Illumination），考虑了物体受到其他光源反射和透射光的影响。 光照度（Irradiance）、发光强度（Intensity）和光亮度（Radiance）这些术语则涉及光的能量传输和测量，它们在计算场景中的光照效果时至关重要。例如，光亮度反映了单位面积接收到的光能量流，而光能和光通量则是衡量光辐射总量的指标。 总结来说，这一讲深入浅出地介绍了计算机图形学中双向反射分布函数及其与相关物理概念的关系，如球面坐标、立体角等，为理解和实现逼真光照渲染提供了理论支持。掌握这些知识对于从事3D建模、游戏开发、视觉效果等领域的工作至关重要。