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计算机图形学之渲染算法：Global Illumination：光照传输
算法
1 光照传输算法概览
1.1 1 光照传输的基本概念
光照传输算法是计算机图形学中用于模拟光线在场景中传输和交互的一种
技术。在真实世界中，光线不仅直接从光源射向物体，还会在物体之间反射、
折射，形成复杂的光照效果。光照传输算法试图捕捉这些效果，以增强渲染图
像的真实感。
1.1.1 基础原理
光照传输算法基于物理模型，如光的反射定律、折射定律和能量守恒原则。
它通过追踪光线的路径，计算光线在场景中的分布和强度，来模拟真实世界的
光照效果。算法可以分为直接光照和间接光照两部分，直接光照处理光源直接
照射到物体上的效果，而间接光照则模拟光线在物体间多次反射和折射产生的
效果。
1.1.2 关键概念
� 光线追踪：一种通过追踪从观察者出发的光线路径来计算场景中
光照效果的方法。
� 光子映射：一种用于模拟间接光照的算法，通过发射大量光子并
记录它们在场景中的分布，来估算光照强度。
� 路径追踪：一种更高级的光照传输算法，它不仅追踪光线，还考
虑光线的随机路径，以模拟更复杂的光照效果。
1.2 2 光照传输算法在计算机图形学中的重要性
光照传输算法在计算机图形学中扮演着至关重要的角色，它能够显著提升
渲染图像的质量，使图像看起来更加真实。通过模拟光线的物理行为，光照传
输算法能够处理阴影、高光、反射、折射等效果，这些效果在传统渲染技术中
往往难以精确实现。
1.2.1 应用场景
� 电影特效：在电影制作中，光照传输算法被用于创建逼真的环境
和特效，如水下的光线折射、金属表面的反射等。
� 游戏开发：现代游戏引擎利用光照传输算法来增强游戏画面的真
实感，提供更沉浸的玩家体验。
2
� 建筑设计：在建筑设计软件中，光照传输算法帮助设计师预览建
筑物在不同光照条件下的外观，以优化设计。
1.3 3 光照传输算法的分类
光照传输算法可以大致分为两大类：局部光照算法和全局光照算法。
1.3.1 局部光照算法
局部光照算法主要处理直接光照效果，如阴影和高光。这些算法通常计算
速度快，但无法模拟间接光照效果，如环境光遮蔽和全局反射。
1.3.1.1 示例：阴影映射
阴影映射是一种常用的局部光照算法，用于计算场景中物体的阴影。它通
过在光源视角下渲染场景，生成一个深度图，然后在相机视角下使用这个深度
图来确定哪些像素位于阴影中。
//
示例代码：阴影映射的基本实现
void ShadowMapping::renderShadowMap()
{
//
设置深度贴图的渲染状态
glViewport(0, 0, shadowMapWidth, shadowMapHeight);
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, shadowMapFBO);
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
//
使用光源的视角和投影矩阵渲染场景
shader.use();
shader.setMat4("lightSpaceMatrix", lightSpaceMatrix);
for (auto& model : models)
{
model.Draw(shader);
}
}
void ShadowMapping::renderScene()
{
//
设置颜色贴图的渲染状态
glViewport(0, 0, screenWidth, screenHeight);
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
//
使用相机视角渲染场景，并应用阴影贴图
shader.use();
shader.setBool("useShadowMap", true);
3
shader.setInt("shadowMap", 0);
for (auto& model : models)
{
model.Draw(shader);
}
}
1.3.2 全局光照算法
全局光照算法不仅处理直接光照，还能模拟光线在场景中的多次反射和折
射，即间接光照效果。这类算法通常计算复杂度高，但能够产生更真实、更细
腻的光照效果。
1.3.2.1 示例：路径追踪
路径追踪是一种全局光照算法，它通过随机生成光线路径来模拟光线在场
景中的传输。每条光线从相机出发，可能击中物体表面，然后根据物理规则反
射或折射，继续在场景中传播，直到能量耗尽或达到光线的最大步数。
//
示例代码：路径追踪的基本实现
Color PathTracer::traceRay(const Ray& ray, int depth)
{
//
如果光线深度超过最大值，停止追踪
if (depth > maxDepth)
return Color(0, 0, 0);
//
检查光线是否击中任何物体
HitRecord hitRecord;
if (world.hit(ray, 0.001, infinity, hitRecord))
{
//
计算击中点的光照
Color scattered;
Ray scatteredRay;
Color attenuation;
if (hitRecord.material->scatter(ray, hitRecord, attenuation, scatteredRay))
{
//
递归追踪反射光线
return attenuation * traceRay(scatteredRay, depth + 1);
}
return Color(0, 0, 0);
}
else
{
//
如果光线未击中任何物体，返回背景色
Vec3 unitDirection = unitVector(ray.direction());
4
auto t = 0.5 * (unitDirection.y() + 1.0);
return (1.0 - t) * Color(1.0, 1.0, 1.0) + t * Color(0.5, 0.7, 1.0);
}
}
全局光照算法的引入，使得计算机生成的图像能够更加接近真实世界的视
觉效果，是现代计算机图形学中不可或缺的一部分。
2 直接光照计算
2.1 1 直接光照的物理模型
直接光照计算是计算机图形学中渲染算法的一个关键部分，它关注于光源
直接照射到场景中的物体上所产生的效果。在物理模型中，直接光照可以通过
计算光源与物体表面之间的相互作用来模拟。这种相互作用通常包括两个主要
成分：漫反射和镜面反射。
� 漫反射：当光线照射到物体表面时，一部分光线会被散射到各个
方向，这种散射被称为漫反射。漫反射的强度取决于物体表面的材质属
性和入射光线的角度。在计算漫反射时，我们通常使用 Lambertian 反射
模型，该模型假设物体表面是漫反射的，即光线均匀地向所有方向散射。
� 镜面反射：与漫反射相反，镜面反射发生在光滑的表面上，光线
会按照入射角等于反射角的原则反射。镜面反射的计算通常使用 Phong
模型或更复杂的 Blinn-Phong 模型，这些模型考虑了高光点的形成，使得
光滑表面的渲染更加真实。
2.1.1 示例：Lambertian 反射模型的计算
假设我们有一个光源
L
，其颜色为
(
L
r
,
L
g
,
L
b
)
，强度为
I
。物体表面的法线为
，
到光源的方向为
L
，物体表面的颜色为
(
M
r
,
M
g
,
M
b
)
。漫反射系数为
k
d
。则该表面
接收到的直接光照颜色
C
可以通过以下公式计算：
C
=
I
⋅
k
d
⋅
(
L
⋅
)
⋅
(
M
r
,
M
g
,
M
b
)
其中，
(
L
⋅
)
是光源方向向量
L
和表面法线向量
的点积，表示光源方向与
表面法线之间的夹角余弦值，用于计算光线照射到表面的强度。
2.2 2 阴影映射技术
阴影映射是一种在计算机图形学中广泛使用的阴影计算技术，它通过预先
计算光源视角下的深度图（阴影贴图）来确定哪些像素位于光源和物体之间，
从而判断这些像素是否处于阴影中。阴影贴图通常在渲染场景之前生成，然后
在渲染过程中使用，以高效地计算阴影效果。
2.2.1 阴影贴图生成步骤：
1. 设置投影：使用光源的视角设置一个投影矩阵，将场景中的物体
5
投影到光源的视角中。
2. 渲染深度图：使用投影矩阵渲染场景，但只保存每个像素的深度
值，生成阴影贴图。
3. 比较深度：在渲染最终图像时，对于每个像素，将其在光源视角
下的深度值与阴影贴图中的深度值进行比较。如果像素的深度值大于阴
影贴图中的值，说明该像素位于光源和某个物体之间，因此处于阴影中。
2.2.2 示例：使用 OpenGL 生成阴影贴图
//
设置光源视角的投影矩阵
glm::mat4 lightProjection = glm::ortho(-10.0f, 10.0f, -10.0f, 10.0f, 1.0f, 100.0f);
glm::mat4 lightView = glm::lookAt(lightPos, glm::vec3(0.0f), glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f));
glm::mat4 lightSpaceMatrix = lightProjection * lightView;
//
绑定阴影贴图的纹理单元
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, shadowMap);
//
渲染深度图
glViewport(0, 0, SHADOW_WIDTH, SHADOW_HEIGHT);
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glUseProgram(shadowMapShaderProgram);
glBindVertexArray(shadowMapVAO);
glUniformMatrix4fv(shadowMapShaderProgram->getUniformLocation("lightSpaceMatrix"), 1, GL
_FALSE, glm::value_ptr(lightSpaceMatrix));
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
在上述代码中，lightSpaceMatrix 是光源视角下的投影和视图矩阵的组合，
用于生成阴影贴图。shadowMapShaderProgram 是一个专门用于渲染深度图的着
色器程序，它使用 lightSpaceMatrix 将物体投影到光源视角中。
2.3 3 光线追踪直接光照
光线追踪是一种基于物理的渲染技术，它通过模拟光线在场景中的传播来
计算光照效果。在直接光照计算中，光线追踪可以精确地确定光源与物体表面
之间的光线路径，从而提供更准确的光照计算。
2.3.1 光线追踪直接光照的步骤：
1. 生成光线：从摄像机位置生成一条光线，这条光线代表了观察者
视线的方向。
2. 光线与物体相交：计算光线与场景中物体的交点，如果光线首先
与物体相交，那么该点可能接收到直接光照。
3. 计算光照：对于每个交点，生成一条从交点到光源的光线，如果
这条光线没有被其他物体阻挡，那么该交点接收到直接光照，可以使用

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