【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

圖形學光照模型發展史：技術演進與里程碑

section 基礎奠基期(1960s-1970s)

• 1967 ： Lambert模型(漫反射) - Bui Tuong Phong提出
• 1971 ： Gouraud著色 - Henri Gouraud發明頂點插值著色
• 1973 ： Warnock算法 - 首次實現隱藏面消除
• 1975 ： Phong模型 - Bui Tuong Phong提出完整反射模型

section 物理模型探索期(1980s)

• 1980 ： Whitted光線追蹤 - Turner Whitted實現全局光照
• 1981 ： Cook-Torrance模型 - 首個微表面BRDF
• 1982 ： Blinn-Phong改進 - Jim Blinn優化Phong模型
• 1984 ： Radiosity方法 - Cornell大學提出熱輻射算法
• 1986 ： Kajiya渲染方程 - 奠定現代渲染數學基礎

section 實時渲染突破期(1990s)

• 1991 ： Ward各向異性模型 - 解決拉絲金屬效果
• 1993 ： Schlick近似 - 高效菲涅爾計算
• 1996 ： Oren-Nayar模型 - 粗糙表面漫反射
• 1997 ： HDR渲染 - Debevec首次實現高動態范圍

section 現代PBR時期(2000s-)

• 2003 ： Ashikhmin-Shirley模型 - 各向異性BRDF
• 2007 ： GGX分布 - Bruce Walter引入長尾高光
• 2010 ： Disney BRDF - Brent Burley統一藝術工作流
• 2014 ： UE4 PBR - Tim Sweeney推動游戲業標準化
• 2016 ： 路徑追蹤實時光追 - NVIDIA Turing架構

一、基礎奠基期（1967-1979）

1967：?Lambert漫反射模型?

• ?提出者?：法國計算機科學家Bui Tuong Phong
• ?核心貢獻?：
• ?背景?：猶他大學早期CG研究，受限于SDS 9300主機（32KB內存）
• ?意義?：首個可計算的漫反射模型

1971：?Gouraud著色?

• ?提出者?：法國科學家Henri Gouraud（猶他大學博士）
• ?原理?：頂點光照插值
• ?硬件支持?：GE CT掃描儀專用圖形系統
• ?突破?：實現光滑表面效果，計算量降低95%

1975：?Phong反射模型?

• ?提出者?：Bui Tuong Phong（完成博士論文后不久去世）
• ?核心公式?：
• ?實驗環境?：在DEC PDP-10主機上實現，單幀渲染耗時數小時
• ?歷史意義?：奠定現代光照模型三大組件基礎

二、物理模型探索期（1980-1989）

1980：?Whitted光線追蹤?

• ?提出者?：Turner Whitted（貝爾實驗室）
• ?突破?：首次實現反射、折射全局效果
• ?硬件背景?：VAX-11/780主機，512x512圖像需74分鐘

1981：?Cook-Torrance微表面模型?

• ?提出者?：Robert Cook（Lucasfilm）和Kenneth Torrance（康奈爾大學）
• ?核心突破?：分解BRDF為D/F/G三項
• ?應用?：電影《星際迷航2》特效制作

1984：?Radiosity方法?

• ?研發機構?：康奈爾大學（Donald Greenberg團隊）
• ?原理?：熱輻射能量傳遞在CG的應用
• ?代表成果?：康奈爾盒子（至今仍是標準測試場景）

1986：?Kajiya渲染方程?

• ?提出者?：Jim Kajiya（Caltech）
• ?數學表達?：
• ?意義?：統一光照計算理論框架

三、實時渲染突破期（1990-1999）

1991：?Ward各向異性模型?

• ?提出者?：Greg Ward（LBNL）
• ?解決痛點?：金屬拉絲、CD光盤等方向性反射

1993：?Schlick菲涅爾近似?

• ?提出者?：Christophe Schlick（法國蒙彼利埃大學）
• ?公式?：
• ?價值?：計算效率提升20倍，沿用至今

1996：?Oren-Nayar粗糙漫反射?

• ?提出者?：Michael Oren和Shree Nayar（哥倫比亞大學）
• ?背景?：NASA火星探測計劃表面材質研究
• ?突破?：修正Lambert對粗糙表面的失真

四、現代PBR時期（2000至今）

2007：?GGX法線分布?

• ?提出者?：Bruce Walter（康奈爾大學）
• ?特性?：長尾高光分布，符合真實材質
• ?工業應用?：迪士尼動畫《長發公主》(2010)

2010：?Disney BRDF?

• ?領導者?：Brent Burley（迪士尼動畫工作室）
• ?核心思想?："藝術家友好"的參數化
• ?參數體系?：Metallic/Roughness工作流成為行業標準

2014：?游戲PBR革命?

• ?里程碑產品?：
  • Unreal Engine 4（Tim Sweeney）
  • Unity 5（Unity Technologies）
  • Frostbite引擎（EA DICE）
• ?硬件支撐?：PlayStation 4/Xbox One統一PBR管線

2018：?實時光線追蹤?

• ?硬件突破?：NVIDIA Turing架構（RT Core）
• ?標志產品?：
  • NVIDIA OptiX 5.0
  • Microsoft DXR API
  • UE4 Ray Tracing
• ?性能數據?：1080p路徑追蹤達60fps（對比1980年74分鐘/幀）

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技術演進關鍵轉折點

理論到應用的跨越（1980s）

實時渲染民主化（2000s）

年份	硬件性能	代表游戲	光照技術
2001	10M tris/sec	最終幻想X	預烘焙光照
2007	500M tris/sec	孤島危機	動態光影
2013	2G tris/sec	戰地4	屏幕空間反射
2020	15G tris/sec	賽博朋克2077	混合光追

學術-工業協同創新

• ?SIGGRAPH紐帶?：自1974年創辦，成為技術轉化橋梁
• ?關鍵人物遷移?：
  • Jim Blinn (NASA → Caltech → Microsoft)
  • Pat Hanrahan (皮克斯 → 斯坦福 → Tableau)
  • Eric Veach (谷歌 → 迪士尼 → Waymo)

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未來發展方向

?神經輻射場（NeRF）

• 2020年伯克利提出，實現照片級新視角合成

?材質感知光傳輸?

• MIT 2023年實現亞表面散射實時模擬（Joule: 0.3ms/frame）

?量子光照計算?

• 谷歌Quantum AI實驗室光量子處理器（2025目標）

光照模型發展史是計算機圖形學從經驗公式到物理真理的演進歷程，每一步突破都凝聚著學術智慧與工業實踐的碰撞，持續推動著虛擬世界與現實邊界的融合。

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