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就图形学而言,请问下光学重要吗?

光学
optics

#1

如题!图形学需要了解很多或哪些光学知识呢?


#2

目前图形学渲染中涉及的光学内容仅为最简单的几何光学,其原因包括计算能力的限制,计算模型的复杂度以及人眼对视觉感知的极限等。

在电磁学中,有两种模型用于研究光的性质,第一种为物理光学,第二种为几何光学。物理光学(Physical Optics),又称为波动光学(Wave Optics),它认为光在介质中以波的形式传播。这种模型可以解释光的衍射和干涉等现象。 然而它以光的波长为测量尺寸,这大大超出了计算机图形学的需求。

由于可见光的波长非常短,通常可以忽略光的波长,即相对于 λ → 0 的极限情况,并证明在这种近似处理下,光学定律可以用几何学的语言来描述, 这种模型称为几何光学(Geometric Optics),或者称为光线光学(Ray Optics),因为这种模型下能量可以看作是以一定的直线传输。

完整的几何光学(geometric optics)模型相对于渲染来讲仍然太复杂,所以计算机图形学中使用更简单的模型,即光从光源出发,以无限的速度在环境中直线前进,经过与表面发生多次反射和折射,最后进入人的眼睛形成图像。这样就仅剩下反射和折射定理。它总结为三点:

  • 物体的表面绝对光滑5(Smooth)。
  • 光仅可以被发射(Emitted),反射(Reflected)或者传播(Transmitted)。
  • 光以无限快的速度沿直线传播。

反射和折射定理是最简单基本的光学概念了,剩下其实相对稍微复杂一点的还是菲涅尔反射率的概念!另外,即使在一些光照传输计算中使用到了费马定理(或者光程最短定理),但是其问题往往转换为使用局部的微分几何来求解,在局部层面,费马定理可以由最简单的反射定理和折射定理推导出来!这在《全局光照技术》中会有讨论。

所以,我的建议不用太刻意去学习光学知识,遇到问题的时候再去深入学习,当然随着计算能力和研究的进展,我们慢慢会涉及更多光学知识,但是相信它不会成为你学习道路上的主要障碍。