摘要：cinema 4d材質基礎，本教程將探究平面與光的關系，從中如何表現材質。

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　　光與物質交互發(fā)生在物體表面時，關于光與空氣和物質之間的散射效果。這個時候平面散射光會分為兩部分：一部分進入平面的部分(折射，在物體內部傳播中被吸收或散射)，另一部分從平面出去的部分(反射)。

　　1、鏡面反射：一個假設完美無限光學平坦的平面(簡稱光學平面)反射效果，平面兩側的空氣和物體有各自的折射率。(注意模型底下反射的是地面)

　　2、非鏡面反射：但實際上，平面大多都不是光學平面(除了鏡子或鏡頭等)，而是一種微幾何體(microgeometry)，表面都會有一些比可見光波長要大的不規(guī)則凹凸，但又小到無法覆蓋一個像素或者采樣點，所以，我們就把這種非光學平面。

　　3、光滑 roughness

　　平面相對平滑時，表面方向的變化也比較輕微，從而反射光的方向變化也較小，有了較清晰的反射。而下面的表面粗糙，表面方向的變化范圍也較廣泛，反射光的方向變化也比較大，出現了模糊的反射。

　　4、漫反射光與鏡面光(diffuse and specular)

　　從平面直接反射的部分稱為鏡面反射光(specular)，來源于拉丁語的“mirror”，鏡面光的顏色，通常就是燈光的顏色，只有照射在金屬上才會改變顏色(實際是金屬吸收了特定波長的光)，傳入到物體內部，而經過折射，被材質吸收(轉變?yōu)闊崮?，或者內部進行散射，一些散射光最終會重新返回從平面折射出來，并被攝像機或眼睛所捕捉到，稱為漫反射光(diffuse)。

　　漫反射光被物質吸收并散射后，會成為不同波長的光，這也就給予了物體顏色，比如物體吸收了藍色以外的光，那物體就是藍色的，而因為散射的混亂比較均勻，從每個方向看起來都是一樣，所以這點和鏡面光不一樣。也可以使用這個名字albedo來描述。

　　5、金屬和非金屬

　　物體內部的折射光的作用，取決于物體內部的組成，內部組成的不同，可以分為，金屬(metal)導體，電介質(dielectrics)絕緣體和半導體(semiconductors )，在處理物體時簡單的分組為金屬和非金屬就可以了。金屬會吸收所有的折射光，而且通常會被絕緣體的反射率要高，通常的反射率要達到60%~90%，而絕緣體則是0%~20%，反射率高，就防止了入射光被吸或折射，這樣，金屬就有了”閃亮“的外觀。

　　金屬的折射光能量都立刻被自由電子吸收，而非金屬(絕緣體)，光會在內部進行吸收和散射活動，最后，一些折射光會通過散射，重新從入射平面反方向射出

　　6、非金屬的折射光會進行散射

　　導體的反射會跨越光譜，所以反射是有顏色的，雖然顏色反射在導體里比較罕見的，但在一些日常的材質里(金，銅，黃銅)還是可以看到這種效果，而絕緣體的反射通常是他們的本來顏色，因為金屬會吸收所有的穿透光，也就沒有任何漫反射(diffuse)部分，但金屬氧化的部分和一些表面殘留物還是會散射少量的光。不同材質的漫反射顏色，金屬為0。

　　7、次級表面散射(subsurface scattering)

　　從前面的圖中，可以看到折射后的散射光從平面不同的點發(fā)射出來，和原始的入射點的距離也各不相同，可以統稱為次級表面散射光，根據散射出的距離和入射點像素的大小的關系，可以分為兩種情況：

　　如左圖所示，當像素的尺寸大于入射到出射點的距離時，這個距離就可以被忽略，可以認為這個平面散射出的光和入射光是在相同點上，也就是右圖的樣子，也就是我們常說的漫反射。

　　當像素小于出射到入射距離時，每個點的著色就會收到其他光入射到其他點的影響，也就是常說的“次級表面散射”技術，很重要的一點是，它和普通的漫反射著色是一種物理現象(都是折射光的次級表面散射)，唯一不同的就是散射的距離與觀察點大小的關系，一個通常被認為是“次級表面散射”的表現，當在較遠的距離觀察時，就可以被認為是漫反射著色(例如遠距離角色的皮膚)，而“正規(guī)的漫反射著色”在很近距離觀察時，也會有次級表面散射的效果。

　　8、fresnel現象

　　菲尼爾表現的是材質的反射率和入射角(也就是光源入射向量和平面法線向量的夾角)的對應關系，也就是說，入射光的角度越大，反射率也會越強。以水面為例，正常入射事只有3%的反射，而水平時則幾乎到100%。

　　下圖是水折射的菲尼爾現象，看近處和遠處對比。離觀測者越近折射越強烈，越遠越模糊。

　　下圖是水表面反射菲尼爾現象，離觀測者越遠反射越強烈，越近越模糊。

　　9、各向異性

　　前文已經提到了表面的微幾何體。從宏觀來看，在我們渲染模型網格時，使用凹凸貼圖或法線貼圖就可以描述表面小的細節(jié)。 但還是有一些微小的凹陷，裂縫或突起，而用肉眼是很難看清楚的，而且這些微幾何體是有規(guī)律分布的，它小到連正常大小的法線貼圖也無法來表現，雖然肉眼無法看到，但這些微觀特征，還是對diffuse和specular產生了影響。光雖然向四處反射，但是有規(guī)律的，在模型表面有的地方強，有的地方弱，有的沒有，這就是各個方向不同。