[科普中国]-辐射度技术

辐射度技术（radiosity technique）是基于热能辐射原理，在封闭环境中求取物体表面光能分布的一种全局光照技术。该技术于1984年提出。它特别适用于由漫反射面组成的封闭环境。辐射度技术所考虑的是具有各向相同的反射性的漫反射物体，即表面不甚光滑的物体。这些物体对于光照在各个反射方向上具有等量均匀的反射光亮度与观察者的位置即视点无关。

简介辐射度技术是根据光能能量传播平衡的原理计算环境中每一平面片上的关照能量。该技术可以很自然地形成物体之间的颜色渗透现象。经典的辐射度技术是将环境中的平面（曲面）划分成足够小的面片，而后根据环境中的光能传播平衡的原理建立线性方程组求解每个面片上的光强。

光能传播和辐射计算过程中所涉及的一个重要的问题是，对于一个特定的具有光能的面片，它所传播出的光能中究竟有多少比值的能量能够到达另一特定面片。在辐射度技术中这一比值称为形状因子，形状因子的大小只与环境中物体的几何状况（大小、位置）有关，因而一旦造型环境确定，形状因子即可预先计算。通常在辐射度求解中其形状因子的计算占用绝大部分的开销，因而形状因子的计算效率对辐射度技术很重要。

局部光照与全局光照局部光照模型也称简单光照模型，是实际应用范围最广的光照模型。局部光照模型是相对于全局光照模型而言的。在局部光照模型中，计算光找对象某一点的亮度时，仅考虑虚拟场景中的所有预定义的光源对象即可，而不需要像全局光照模型一样，不仅考虑光源的直接作用，还考虑场景中非光源对象之间的相互照明效果。

经典局部光照模型通常仅处理点光源，所有场景中的光源必须转化为点光源，才能使用局部光照算法。常见的容易转化为点光源的其他类型光源主要包括平行光源以及锥形方向光源。其中，平行光源可以看作点光源的一个特例，作为一个距离无限远，同时没有衰减的点光源处理即可。锥形方向光同时可以作为一个点光源的一个特例处理，将点光源与一个相函数相乘，既可以表现一个具有方向的锥形光源。由于经典的局部光照模型过于简单，缺乏物理依据，一次光照结果质量比较差。但是在另一个方面，由于当今的图形硬件几乎都对经典的局部光照模型提供硬件支持和加速功能，因此在实际应用中经典局部光照模型仍然占据最主要的位置。

全局光照明算法通过模拟光能在场景中的传输来得到平衡状态下场景中的各个元素上向各个方向出射的辐射亮度(Radiance)，而后者决定了生成的二维图像的每个像素的颜色值。简单来讲，全局光照是指除了计算物体表面从光源接收到的光照外，还要计算场景中物体相互作用后反射到物体表面的光照，以及物体自身所发出的光。在计算机图形学中，通常使用绘制方程山来描述光照问题。现实中，我们能看到一个物体，是因为这个物体或反射或自发光射出的光能进入了我们的眼睛。绘制方程即是描述了在物体表面上的一个点，位置为X沿着某个方向w照射出的光能的公式，它计算了光离开该点到达眼睛的能量。全局光照算法的主要包括蒙特卡洛光线跟踪算法、基于点的全局光照算法、以及光子映射算法等。光线追踪算法是大多数的真实感的绘制系统的基础算法，光线追踪简单来讲既是计算在某一场景环境中，从视点穿过场景的光线作用于物体并反射出去路径和在这条路径上光能和物体的相互作用1。

热辐射热辐射，物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热量传递的3种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中的传热方式。

温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，当温度为300℃时热辐射中最强的波长在红外区。当物体的温度在500℃以上至800℃时，热辐射中最强的波长成分在可见光区。

关于热辐射，其重要规律有4个：基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律、斯蒂藩-玻耳兹曼定律、维恩位移定律。这4 个定律，有时统称为热辐射定律。

物体在向外辐射的同时，还吸收从其他物体辐射来的能量。物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。但是，在热平衡状态下，辐射体的光谱辐射出射度（见辐射度学和光度学）r（λ，T）与其光谱吸收比a（λ，T）的比值则只是辐射波长和温度的函数，而与辐射体本身性质无关。

上述规律称为基尔霍夫辐射定律，由德国物理学家G.R.基尔霍夫于1859年建立。式中吸收比a 的定义是：被物体吸收的单位波长间隔内的辐射通量与入射到该物体的辐射通量之比。该定律表明，热辐射辐出度大的物体其吸收比也大，反之亦然。

黑体是一种特殊的辐射体，它对所有波长电磁辐射的吸收比恒为1。黑体在自然条件下并不存在，它只是一种理想化模型，但可用人工制作接近于黑体的模拟物。即在一封闭空腔壁上开一小孔，任何波长的光穿过小孔进入空腔后，在空腔内壁反复反射，重新从小孔穿出的机会极小，即使有机会从小孔穿出，由于经历了多次反射而损失了大部分能量 。对空腔外的观察者而言，小孔对任何波长电磁辐射的吸收比都接近于1，故可看作是黑体。将基尔霍夫辐射定律应用于黑体，由此可见，基尔霍夫辐射定律中的函数f（λ，T）即黑体的光谱辐射出射度。

本词条内容贡献者为:

李岳阳 - 副教授 - 江南大学