光線是從光源發射（emitted）通過介質往特定方向傳播的電磁波
光源類型主要有3種：平行光（如太陽）、點光源（如燈泡）和聚光燈
幾何光學（en）是利用幾何學研究光學的學術方法，用來解釋現實中的視覺現象（Visual appearance）
注：光的干涉和衍射不是幾何光學研究的范疇，需要使用波動光學理論來研究
幾何光學理論
在均勻介質中，光是沿直線傳播的，且速度是恆定的
v = λ * f
注1：v為速度 λ為波長 f為頻率
注2：真空中不同頻率的光的速度都是c。頻率高的光，波長就短；頻率低的光，波長就長 -- 如：紫光、紅光
注3：頻率是源的振動決定的。因此，單一色光在不同介質中頻率是不變
注4：人眼感應光的顏色是由光子能量決定的，E＝hν，能量由頻率決定，藍光能量大紅光相對小，頻率決定人眼對光顏色的感知
顏色是視網膜對不同頻率光子的感覺。不同頻率的光子大小和自轉速度不同（頻率低個大轉速低，頻率高個小轉速高），打到視網膜上的感覺也就不同，就會感覺到不同顏色
三原色光子混合會讓視網膜感覺到平均光子大小，便是混合成另一種顏色的感覺
注5：光是直射的，因此會產生影子
光的反射定律
反射角等於入射角
光的折射定律 又稱為“斯涅爾定律”（Snell's law）
光在真空中的速度 c（約等於3.00×108 m/s）與在透明介質中的速度 v 之比，稱之為該介質的絕對折射率，簡稱折射率（≥1）
折射率決定了進入介質時光的路徑彎曲或折射的程度
注：λ 0 為光在真空中的波長，λ 為光在介質中的波長
光在真空中的折射率等於 1，通常我們認為光在空氣中的折射率也近視為1
水的折射率：1.333 // 表示光在真空中的傳播速度（波長）是在水中傳播速度（波長）的1.333倍
玻璃的折射率：1.5~1.7
水晶的折射率：2.0
鑽石的折射率：2.4
除了與介質有關外，折射率還與光的頻率有關；頻率高的光，折射率大，能形成更大的偏折角度
折射率還決定了反射的光量到達界面時，以及全反射和布儒斯特角（Brewster's angle）的臨界角
視覺現象
色散
光的色散（dispersion of light）：在相同介質中，不同的頻率的光，因為行進速度不同，造成在折射過程中偏折角度不同
牛頓在1666年最先利用三棱鏡觀察到光的色散，把太陽光分解為彩色光帶（光譜）
彩虹是由於下雨以后，天上懸浮着很多極小的水滴，太陽光沿着一定角度射入，這些小水滴就發生了色散
全反射
全反射，又稱全內反射（total internal reflection）是一種光學現象。當光線經過兩個不同折射率的介質時，部分的光線會於介質的界面被折射，其余的則被反射
但是，在當光線從光密介質（較高折射率的介質）進入到光疏介質（較低折射率的介質），入射角比臨界角大時（光線遠離法線），光線會停止進入另一界面（折射光線消失），反之會全部向內面反射
全反射的臨界角為：
例如當光線從玻璃進入空氣時會發生，但當光線從空氣進入玻璃則不會。光導纖維、海市蜃樓、沸騰的水中氣泡顯得十分明亮、水中觀察綠海龜在出水面形成鏡面反射，都是因為發生了全內反射
光與所有物質作用只存在兩種現象：散射（scattering）和吸收（absorption）
散射（scattering）：光線通過不均勻介質時（如物體表面、有塵土的空氣、含有雜質的半透明物等）出現的現象；散射不會改變光量，它只是使其改變方向
光的散射一般又分為反射（reflection）和折射（refraction）
吸收（absorption）發生在物質內部，其會導致某些波長的光轉變成另一種能量（如熱能）並消失；吸收會減少光量，但不會影響其方向
當我們看到“某個物體是紅色”，實際上是因為它反射了更多的紅光波長，而吸收了其他波長
鏡面反射（specular reflection）：在物體表面上的反射 特點：反射出來的光集中在某個方向上；物體微平面越光滑，方向越集中，高光區域越小，高光越亮
漫反射（diffuse reflection）：經歷折射->吸收->重新從入射點，沿着各個方向散射出物體表面 特點：反射出來的光均勻地分散在表面法線指向的半球區域內，沒有方向性
在現實世界中，物體都會有這兩種反射。物體微平面越光滑，鏡面反射越強，漫反射越弱；相反，微平面越粗糙，鏡面反射越弱，漫反射越強
在微觀尺度上，即小於一個像素但是大於光波長的尺寸，物體表面並不是絕對光滑的，這時雖然在單個光束與表面交互上可以看作該面是光滑的，但是在一個像素尺寸上，它確是不光滑的
物體的微平面（Microfacet）的光滑程度可以用粗糙度來衡量；物體有大體分為非金屬和金屬兩大類，其中金屬會立即吸收所有折射的光線，而不同透明度和材質特性的非金屬，反射、吸收、折射等會有很大差異，從而呈現豐富多樣的外觀
次表面散射（SubSurface Scattering，簡稱SSS）：經歷折射->吸收->重新從入射點為中心的圓的區域，沿着各個方向重新散射出物體表面
對於不透明物體，由於重新散射出來的區域非常小，我們一般使用漫反射光模型來簡化
但對於一些半透明物體，如：皮膚、玉、蠟、大理石、牛奶等，則需用次表面散射模型來渲染；次表面散射會讓模型看起來更亮，更有通透感
注：紅色區域表示一個像素的大小，當出射光集中分布在紅色區域內時，則認為次表面散射效果可忽略，用漫反射簡化處理即可
當出射光線較為均勻地分布在綠色區域內時，則需要單獨考慮次表面散射效果
透射（transmittance）：對於比較薄的半透明物體，一些光線經歷折射->吸收->從物體另外一面散射出物體表面 特點：反射出來的光均勻地分散在另外一面法線指向的半球區域內，沒有方向性
參與介質（Participating Media）
如雲、煙、霧、霾等在自然界中普遍存在的，它們導致了很多有趣的視覺現象。
當光在這些參與介質中傳播時，部分被吸收，其他則經過多次散射從不同的位置離開表面。
參與介質整個內部都是半透明的，光線能夠從一邊進入，然后從另外一邊離開。
參與介質能夠有效地增強環境的氛圍，以及對場景深度的感知。
焦散（caustics）
光經過彎曲的表面反射或折射后，多束光落在同一個點上，導致這些點的光照特別明亮
光澤反射（glossy refection）
物體的微平面越光滑，反射光線的方向范圍就越集中，高光區域就越亮，將周圍環境映射到模型表面就顯得越清晰
當光由一種介質進入另一種不同的介質，在光滑的表面發生反射和折射時，入射光被反射和折射的比率分別應該是多少呢？
菲涅爾公式（Fresnel Equation）反映出光線的反射比率與入射角和介質的折射率有關
在真實世界中，非金屬均有不同程度的菲涅爾反射效果：對於大部分入射方向其反射率僅為4%左右，而當幾乎水平於表面方向（即入射角為90度）時，它的反射率幾乎為100%
注1：光線入射角越小，入射光線越垂直於物體表面
注2：虛線部分表示偏振效應，在電磁學中一個矢量場可以分解為平行於入射面分量P和垂直於入射面分量S。
其中對於平行於入射面分量P，它當入射角接近57度時，所有的反射光完全被偏振，此時反射光線和折射光線相互垂直，這也叫做起偏角或者布儒斯特角（Brewster's angle）。這就是為什么太陽鏡可以減少接近水平方向非金屬的反射強光
各向異性高光（Anisotropic Specular Highlights）
由於物體微平面上有着朝着某些方向的小凹槽（凸起，纖維或划痕），使得這些方向上高光反射與其他方向存在明顯不同。
任何具有細粒度的東西都主要在一個方向上。如頭發，鍋碗瓢盆，拉絲金屬等
顏色滲透（Color Bleeding）
漫反射光從物體內部反射出來后，會攜帶這個物體的顏色，從而使靠近該物體周圍的物品染上其顏色。
這種經過一次或多次反射或折射形成的環境光對於Diffuse表面的影響非常重要，如靠近紅色牆壁長方體的那個面呈現一些紅色
這種效果並不是直接來自光源，而是環境，是一種間接光照
半透明（translucent）
光線依次穿過多個半透明的物體后，會按照三原色疊加規律來呈現最后的顏色
陰影（Shadow）
陰影對於人眼對3D場景的立體感非常重要
由於光源有一定的面積，整個陰影區域並不是完全漆黑的（即硬陰影，Hard Shadow），而是在邊緣的地方有一個明暗過渡（軟陰影，Soft Shadow）
軟陰影有三部分組成：完全遮擋的本影區（Fully Dark）、部分光照被遮擋的半影區（Penumbra）和完全沒有被遮擋的光照區（Fully lit）
如果物體自己擋住了自己，則會形成自陰影
環境光遮罩（AO，Ambient Occlusion）
角落、縫隙等地方容易被物體自身或周圍的物體遮擋住光線，會顯得更暗一些，從而表現出較強的立體感和明暗對比度
參考