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(gè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)寫實(shí)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?cè)趧?chuàng)作中的靈活度，是我們?cè)谌S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(shí)的物理現(xiàn)象在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的實(shí)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(dǎo)出。用來(lái)描述光在不同折射率的介質(zhì)之間的行為。由公式推導(dǎo)出的光的反射稱之為“菲涅爾反射”。菲涅爾公式是光學(xué)中的重要公式，用它能解釋反射光的強(qiáng)度、折射光的強(qiáng)度、相位與入射光的強(qiáng)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(lái)簡(jiǎn)單地描述一個(gè)物體的基本材質(zhì)，例如，我們將一個(gè)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(lái)。這代表了無(wú)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(shí)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(huì)發(fā)現(xiàn)水是透明的，反射不是特別強(qiáng)烈；如果你看遠(yuǎn)處的湖面，你會(huì)發(fā)現(xiàn)水并不是透明的，反射非常強(qiáng)烈。簡(jiǎn)單的講，就是視線垂直于表面時(shí)，反射較弱，而當(dāng)視線非垂直表面時(shí)，夾角越小，反射越明顯。如果你看向一個(gè)圓球，那圓球中心的反射較弱，靠近邊緣較強(qiáng)，這就是“菲涅爾效應(yīng)”。不同材質(zhì)的菲涅爾效應(yīng)強(qiáng)弱不同，導(dǎo)體（如金屬）的菲涅爾反射效應(yīng)很弱，就拿鋁來(lái)說(shuō)，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(dāng)視線與表面法向量夾角很大的時(shí)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(lái)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(gè)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(guò)場(chǎng)動(dòng)畫時(shí)，使用者通常需要一種更好的方式來(lái)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(lái)。雖然此技術(shù)會(huì)讓影片增色不少，但是向3D場(chǎng)景添加更多光照同時(shí)也意味著復(fù)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(lái)模擬相同的基礎(chǔ)效果。 如此一來(lái)，美術(shù)師便能更好地掌控效果的觀感，甚至通過(guò)一些技巧來(lái)提高性能，這就是菲涅爾（Fresnel）在自發(fā)光通道上的應(yīng)用實(shí)例。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)菲涅爾（Fresnel）就是指光照基于觀察者的角度來(lái)形成不同強(qiáng)度反射的現(xiàn)象。菲涅爾材質(zhì)表達(dá)式節(jié)點(diǎn)將根據(jù)表面法線和相機(jī)方向的點(diǎn)乘積來(lái)計(jì)算衰減。 當(dāng)表面法線正對(duì)相機(jī)時(shí)，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(jī)垂直時(shí)，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(lái)控制材質(zhì)的顏色通道，菲涅爾（Fresnel）作為一個(gè)采樣工具會(huì)告訴我們一個(gè)起伏的曲面上每個(gè)點(diǎn)的采樣值，這個(gè)采樣值介于0-1之間。同時(shí)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(lán)綠貼圖，藍(lán)色代表0，綠色代表1，中間過(guò)渡部分代表0-1之間的數(shù)值。那么采樣值為0的點(diǎn)就會(huì)被指定為藍(lán)色，采樣值為1的點(diǎn)就會(huì)被指定為綠色，中間值將會(huì)被指定為過(guò)渡顏色。通過(guò)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(lái)控制材質(zhì)的透明通道，菲涅爾（Fresnel）作為一個(gè)采樣工具會(huì)告訴我們一個(gè)起伏的曲面上每個(gè)點(diǎn)的采樣值，這個(gè)采樣值介于0-1之間。同時(shí)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(diǎn)就會(huì)被指定為黑色，變得不透明，采樣值為1的點(diǎn)就會(huì)被指定為白色，變成完全透明，中間值將會(huì)被指定為過(guò)渡的灰色，變成不同程度的半透明效果。通過(guò)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(shí)，當(dāng)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(gè)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(huì)影響到我們的材質(zhì)類型，當(dāng)反射被定義為沒(méi)有菲涅爾反射時(shí)，即視線垂直表面和非垂直表面的反射相等時(shí)，這時(shí)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(duì)菲涅爾（Fresnel）的理解和靈活使用對(duì)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(shí)踐。