Using Simple Technique to Improve Your Lighting Effect
仅供个人学习使用，请勿转载，勿用于任何商业用途。
呵呵，好长时间没有写与渲染相关的东西了，那些高级和复杂的渲染技术，大家还是去看ShaderX吧J。下面要介绍的是一种对最基本的光照方程进行稍稍修改，以显著提高光照效果的方法。数学上，描述基本光照模型的公式如下：
surfaceColor = emissive + ambient + diffuset + specular.
这里只讨论ambient和diffuse项。Ambient其实是方程中最复杂，最难以计算的元素。较为真实的模拟方法需要计算environment map，radiance，spherical harmonic(SH)等等，而最简单的方法则是直接把ambient当做常量。这是人们喜欢走极端的最好证据，高端的游戏大部分使用了前者，而大部分网游仍然使用最简单的方法。由于SH的复杂性，我至今也还没勇气亲自实现，我只希望对最基本的方法进行稍稍修改，让它看起来稍微好一点而已。
如上图左边的模型所示，常量ambient得到的结果非常”丑陋”，除了物体轮廓以外，所有细节都丢失了，甚至无法识别出所渲染的是一个3D模型。如果你对环境贴图，或者hemiphere lighting等理论稍有了解，那么应该知道我们通常假设到达物体的环境光，来自于物体法线所指的半球面区域。这里我们不关心这个半球面上的光照分布如何，并且假设场景中所有光线方向都垂直向下，通过法线与垂直方向的角度，决定物体的受到的环境光。代码非常简单：
float3 light3 = lerp(AmbientColor*0.5f, AmbientColor, saturate(normal.y*0.5+0.5f));
如果法线垂直向上的地方，是获得环境光最多的部分，而垂直向下的部分则是吸收光线最少的。从上图右边的模型可以看到，效果非常明显，简直可以说发生了质的改变。
接下来看diffuse，最常用的计算公式恐怕就是
diffuseColor = lightColor * max ( dot( N, L), 0)
下图最左边的两个模型就是用这种方法渲染的。如果说正面的效果还算不错，那么背光一面的效果简直糟糕透了，所有dot(N,L)为负值的部分都是黑色，和常量ambient一样，所有细节都丢失了，画面看起来非常flat。然而在真实环境中，即使是背光的一面，由于布料本身和周围物体的散射反射，即使是背对光源的物体，也会被照亮的。
我们对公式稍微进行一些修改，让dot(N,L)为负值的部分，亮度也有变化：
diffuse = (dot( N, L) * 0.5 + 0.5) * lightColor;
我们把法线所有方向上的亮度映射到了0，1之间，而不是简单的截取其中一部分。结果如上图中间2个模型所示，可以看到背光的一面效果好多了，所有细节都保留下来。但面朝光线的一部分亮的似乎有些过分，甚至有些难以辨别光线所来的方向了。既然这样，再对光线进行一些衰减好了
diffuse = (dot( N, L) * 0.5 + 0.5) * lightColor;
diffuse *= diffuse;
这里多做了一次平方运算。从上图最右边的2个模型可以看到，正面的光照亮度不但回到了之前正常的水平，平且明暗过度也更加平滑，而背面，所有重要的细节（腰带，绑腿）也没有丢失。
好了，现在把ambient与diffuse合成起来，左边2个模型所用的是传统方法，而右边2则是我们修改过的版本。显然，右边的部分光照不但平滑，立体感也更加明显。特别是对背光面的光照有了很大改善。
