C4D技巧:材质上表现平面与光的交互

摘要：cinema 4d材质基础，本教程将探究平面与光的关系，从中如何表现材质。

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　　光与物质交互发生在物体表面时，关于光与空气和物质之间的散射效果。这个时候平面散射光会分为两部分：一部分进入平面的部分(折射，在物体内部传播中被吸收或散射)，另一部分从平面出去的部分(反射)。

　　1、镜面反射：一个假设完美无限光学平坦的平面(简称光学平面)反射效果，平面两侧的空气和物体有各自的折射率。(注意模型底下反射的是地面)

　　2、非镜面反射：但实际上，平面大多都不是光学平面(除了镜子或镜头等)，而是一种微几何体(microgeometry)，表面都会有一些比可见光波长要大的不规则凹凸，但又小到无法覆盖一个像素或者采样点，所以，我们就把这种非光学平面。

　　3、光滑 roughness

　　平面相对平滑时，表面方向的变化也比较轻微，从而反射光的方向变化也较小，有了较清晰的反射。而下面的表面粗糙，表面方向的变化范围也较广泛，反射光的方向变化也比较大，出现了模糊的反射。

　　4、漫反射光与镜面光(diffuse and specular)

　　从平面直接反射的部分称为镜面反射光(specular)，来源于拉丁语的“mirror”，镜面光的颜色，通常就是灯光的颜色，只有照射在金属上才会改变颜色(实际是金属吸收了特定波长的光)，传入到物体内部，而经过折射，被材质吸收(转变为热能)，或者内部进行散射，一些散射光最终会重新返回从平面折射出来，并被摄像机或眼睛所捕捉到，称为漫反射光(diffuse)。

　　漫反射光被物质吸收并散射后，会成为不同波长的光，这也就给予了物体颜色，比如物体吸收了蓝色以外的光，那物体就是蓝色的，而因为散射的混乱比较均匀，从每个方向看起来都是一样，所以这点和镜面光不一样。也可以使用这个名字albedo来描述。

　　5、金属和非金属

　　物体内部的折射光的作用，取决于物体内部的组成，内部组成的不同，可以分为，金属(metal)导体，电介质(dielectrics)绝缘体和半导体(semiconductors )，在处理物体时简单的分组为金属和非金属就可以了。金属会吸收所有的折射光，而且通常会被绝缘体的反射率要高，通常的反射率要达到60%~90%，而绝缘体则是0%~20%，反射率高，就防止了入射光被吸或折射，这样，金属就有了”闪亮“的外观。

　　金属的折射光能量都立刻被自由电子吸收，而非金属(绝缘体)，光会在内部进行吸收和散射活动，最后，一些折射光会通过散射，重新从入射平面反方向射出

　　6、非金属的折射光会进行散射

　　导体的反射会跨越光谱，所以反射是有颜色的，虽然颜色反射在导体里比较罕见的，但在一些日常的材质里(金，铜，黄铜)还是可以看到这种效果，而绝缘体的反射通常是他们的本来颜色，因为金属会吸收所有的穿透光，也就没有任何漫反射(diffuse)部分，但金属氧化的部分和一些表面残留物还是会散射少量的光。不同材质的漫反射颜色，金属为0。

　　7、次级表面散射(subsurface scattering)

　　从前面的图中，可以看到折射后的散射光从平面不同的点发射出来，和原始的入射点的距离也各不相同，可以统称为次级表面散射光，根据散射出的距离和入射点像素的大小的关系，可以分为两种情况：

　　如左图所示，当像素的尺寸大于入射到出射点的距离时，这个距离就可以被忽略，可以认为这个平面散射出的光和入射光是在相同点上，也就是右图的样子，也就是我们常说的漫反射。

　　当像素小于出射到入射距离时，每个点的着色就会收到其他光入射到其他点的影响，也就是常说的“次级表面散射”技术，很重要的一点是，它和普通的漫反射着色是一种物理现象(都是折射光的次级表面散射)，唯一不同的就是散射的距离与观察点大小的关系，一个通常被认为是“次级表面散射”的表现，当在较远的距离观察时，就可以被认为是漫反射着色(例如远距离角色的皮肤)，而“正规的漫反射着色”在很近距离观察时，也会有次级表面散射的效果。

　　8、fresnel现象

　　菲尼尔表现的是材质的反射率和入射角(也就是光源入射向量和平面法线向量的夹角)的对应关系，也就是说，入射光的角度越大，反射率也会越强。以水面为例，正常入射事只有3%的反射，而水平时则几乎到100%。

　　下图是水折射的菲尼尔现象，看近处和远处对比。离观测者越近折射越强烈，越远越模糊。

　　下图是水表面反射菲尼尔现象，离观测者越远反射越强烈，越近越模糊。

　　9、各向异性

　　前文已经提到了表面的微几何体。从宏观来看，在我们渲染模型网格时，使用凹凸贴图或法线贴图就可以描述表面小的细节。 但还是有一些微小的凹陷，裂缝或突起，而用肉眼是很难看清楚的，而且这些微几何体是有规律分布的，它小到连正常大小的法线贴图也无法来表现，虽然肉眼无法看到，但这些微观特征，还是对diffuse和specular产生了影响。光虽然向四处反射，但是有规律的，在模型表面有的地方强，有的地方弱，有的没有，这就是各个方向不同。