07. 光照：颜色怎么算出来

阿豪2026/8/4大约 13 分钟

07. 光照：颜色怎么算出来

本篇位置：模块二 · 第 7 篇｜前置：混合｜预计阅读：30 分钟

你已经在用它了

hwui 里有一盏灯。它是全局的、静态的，整个 Android UI 共用一盏（libs/hwui/Lighting.h）：

struct LightGeometry {
    Vector3 center;
    float radius;
};

struct LightInfo {
    LightInfo(uint8_t ambientShadowAlpha, uint8_t spotShadowAlpha)
            : ambientShadowAlpha(ambientShadowAlpha), spotShadowAlpha(spotShadowAlpha) {}
    uint8_t ambientShadowAlpha;
    uint8_t spotShadowAlpha;
};

它有位置（center，一个三维坐标）、有大小（radius），还区分了两种光的强度。

三个问题：

Android UI 是二维的，为什么需要一盏有三维位置的灯？它照亮了什么？
radius 是干什么的？一个点光源要半径做什么？
游戏里的光照公式动辄一长串，这里为什么只有两个 uint8_t？中间省掉了什么？

学完你会什么

写出并解释 Lambert 漫反射项，说清"正对光源最亮"背后的物理原因。
说清高光是什么、高光指数控制的到底是哪个量。
说清环境光在补什么洞，以及经典模型为什么会"能量不守恒"。
说清 PBR 换掉了什么、为什么换了之后美术不用反复调参。
说清光照计算必须在什么空间里做。

1. 先回答：这盏灯照亮的是阴影

问题 1 的答案有点出人意料：这盏灯不照亮任何表面，它只用来算阴影的形状。

Android 的 Material Design 里，每个 View 有一个 elevation（离屏幕的高度）。有了光源位置和 View 的高度，就能算出它的影子应该投在哪、偏多远、多大多虚——这正是下一篇的主题。

所以 LightInfo 里只有两个 uint8_t（环境光阴影和聚光阴影的浓度），没有任何漫反射、高光参数——因为它压根不做表面着色。问题 3 的答案就是：它不是省略了，是根本不需要。UI 元素的颜色是美术直接给的，不是算出来的。

但这盏灯里那两个概念——位置和半径——恰恰是理解真实光照的入口。这一篇讲的就是：如果真要用这盏灯去照亮一个表面，该怎么算。

2. 漫反射：为什么正对光源最亮

给定表面法线 $N$ 和指向光源的方向 $L$ （都归一化），最基础的光照模型是这一行：

I_d = k_d \max(N \cdot L,\ 0)

$N \cdot L$ 就是两者夹角的余弦（M1 第 1 篇讲的点积第三种用法）；
$k_d$ 是这个表面的反照率（albedo），也就是它本身的颜色；
外面那个 $\max(\cdot, 0)$ 把负值截断——光源在表面背面时根本照不到，不 clamp 会算出"负的光"。

这叫 Lambert 漫反射（diffuse），描述的是光打到粗糙表面后向各个方向均匀散开的那部分。

为什么是余弦？不是凑出来的，是几何必然：

余弦定律

图：同一束宽度固定的平行光，打在不同倾角的表面上。正对时（0°）照亮长度 1.00；45° 时被摊开到 1.41；70° 时摊开到 2.92 倍。光的总能量没变，摊得越开，单位面积接收到的就越少——正好是 $\cos\theta$ ：1.00、0.71、0.34。

这就是 Lambert 余弦定律的物理含义：不是"角度大了光变弱了"，而是同样多的光被摊在了更大的面积上。

一个常见的误解：Lambert 项里没有观察方向 $V$ 。也就是说，漫反射的亮度和你从哪个角度看无关——粗糙表面把光均匀散向各个方向，你换个位置看，同一块地方还是那么亮。这是"漫反射"这个名字的全部含义。
下一节的高光正相反，它强烈依赖观察角度。

3. 高光：反光那一块

抛光的金属、湿的路面、眼球，除了均匀散开的漫反射，还有一块又亮又集中的反光——高光（specular）。

它的模型思路是：光从 $L$ 打到表面按镜面反射弹开，观察方向 $V$ 越接近那条理想反射方向，你看到的反光越强。

最常用的写法是 Blinn-Phong：先把光源方向和观察方向合成一条半程向量 $H = \frac{L+V}{|L+V|}$ ，再拿它和法线比：

I_s = k_s \max(N \cdot H,\ 0)^{\text{shininess}}

$H$ 是 $L$ 和 $V$ 的角平分线。当 $N$ 和 $H$ 重合时，说明 $V$ 正好落在理想反射方向上，高光最亮。

关键是那个指数 shininess，它控制的是"反光有多集中"：

高光叶瓣

图：极坐标下的 $\cos^n\theta$ ，0° 是理想反射方向。指数从 4 涨到 256，叶瓣明显收窄变尖。

用数字说更清楚——强度掉到一半时对应的角度：

shininess	半亮角	观感
4	32.8°	一大片朦胧的反光，哑光塑料
16	16.7°	中等，抛光木头
64	8.4°	一小块亮斑，光滑金属
256	4.2°	一个尖锐的亮点，接近镜面

指数越大，高光越窄越亮，材质看起来越光滑。这个直觉下一节讲 PBR 时会被换一套参数重新表述。

4. 三项叠加，以及一个从根上的毛病

再补最后一块：环境光（ambient）。

它是个和角度完全无关的常数 $I_a = k_a$ ，粗暴地近似"这个表面就算没被任何光源直接照到，也不该是纯黑"。现实里这份亮度来自周围环境反弹回来的间接光，而 Lambert/Blinn-Phong 这类局部光照模型只看单个光源和单个表面，算不出这种全局效果——环境光就是补这个洞的权宜之计。

三项一加，就是这类模型的完整输出：

I = \underbrace{k_a}_{\text{环境光}} + \underbrace{k_d \max(N \cdot L, 0)}_{\text{漫反射}} + \underbrace{k_s \max(N \cdot H, 0)^{\text{shininess}}}_{\text{高光}}

三项叠加

图：三项随夹角的变化。高光又窄又亮只在正对时出现，漫反射平缓地铺开，环境光在最底下托着不让阴影区死黑。

现在说这套模型从根上的毛病：它不保证能量守恒。

一个表面反射出去的光，不该超过它接收到的。但 $k_a$ 、 $k_d$ 、 $k_s$ 在经典模型里是三个互相独立的手调常数，谁也不管谁。图里用的 $k_a=0.1$ 、 $k_d=0.8$ 、 $k_s=0.6$ ，正对光源时三项之和是 1.50——凭空多反射出了 50% 的光。

画面上的表现是不自然的过曝、发光感。而且更麻烦的是：这套参数在这个光照环境下调好看了，换一个场景就得重调——因为这些数字和任何物理量都没有对应关系，纯粹是美术凭经验试出来的"看起来对"。

5. PBR 换掉了什么

PBR（physically based rendering，基于物理的渲染）解决的就是上面那个问题。它换的不是公式复杂度，而是参数的含义。

核心思路叫微表面（microfacet）：把表面看成无数远小于一个像素的小镜面，每个都是完美镜面反射。宏观上看到的漫反射和高光，全是海量小镜面朝向各异、统计叠加出来的结果。

于是参数换成了两个有物理含义的量：

参数	含义	对应经典模型的什么
粗糙度（roughness）	小镜面朝向的散乱程度	就是 shininess 的物理版——粗糙度低 = 指数大 = 高光集中
金属度（metallic）	是金属还是非金属	经典模型里没有对应物

金属度这个参数解释了一个以前只能靠美术经验的现象：

非金属（塑料、木头、皮肤）：光会折射进材质内部再散射出来，形成有颜色的漫反射；高光本身接近无色（白色的反光）。
金属：几乎没有次表面散射，光要么被直接反射、要么被吸收。漫反射趋近于零，高光带材质本身的颜色——金子的反光是金黄的，不是白的。

再加上菲涅尔效应（任何材质在掠射角下反射率都会显著升高，这就是水面从正上方能看到水底、平视却全是反光的原因），一套 PBR 材质就齐了。

换成物理参数之后最大的好处是：同一份材质换到任何光照环境下都说得通、观感一致，不用为每个场景重调魔术数字。这才是"现代游戏几乎都用 PBR"的真正原因——不是因为它更好看，是因为它可预测、可复用。

具体的 BRDF 推导、GGX 分布函数、几何遮蔽项超出本篇范围。能对着一段 PBR shader 认出每个变量对应哪个物理量，就够用了。

6. 光照必须在线性空间里算

上一篇讲混合时提过 M1 第 8 篇那条铁律，光照这里再强调一次，因为它出错的方式更隐蔽。

三项相加是线性域里的加法。如果 $k_d$ 直接用了一张没解码的 sRGB 贴图的像素值，那三项叠加、乘光强、所有的运算全部建立在错误的数值上。

症状是：画面整体偏暗、阴影区糊成一团、明暗过渡不自然。而且它不会报错，只是"看起来有点脏"——很多人会误以为是美术风格问题，跑去调参数补救，越调越乱。

工程上的正确做法：把贴图声明成 sRGB 格式，让硬件在采样时自动解码成线性值（免费，采样器里就做了），所有光照计算在线性域完成，最后写出时再编码回 sRGB。

⚠️ 别搞混

hwui 那盏灯和这一篇讲的光照，虽然都叫"光"，做的事完全不同：

	hwui 的 `LightGeometry`	渲染里的光源
用途	只算阴影的形状（下一篇）	算表面的颜色
参数	位置、半径、两个阴影浓度	位置/方向、颜色、强度、衰减
数量	全局一盏，静态	场景里几个到几百个
表面参数	无——UI 颜色是美术给的	albedo / roughness / metallic
算不算 $N \cdot L$	不算	这是核心

一句话：hwui 的灯是个"投影仪"，只管影子往哪投；渲染里的光源是真的在给表面算亮度。

回到源码

问题 1：二维的 UI 为什么需要三维光源？

因为它要算阴影。Material Design 给每个 View 一个 elevation，有了光源位置和这个高度，就能算出影子投在哪、偏多远。这盏灯从不参与表面着色，UI 元素的颜色是美术直接给的。

问题 2：radius 是干什么的？

它决定影子边缘有多虚。

一个理想的点光源（半径为 0）投出来的影子边缘是刀切一样的硬边。现实中的光源都有大小——灯管、窗户、天空——于是遮挡物边缘附近的点能"看到"光源的一部分而不是全部，形成半明半暗的过渡带（半影）。

光源越大，半影越宽，影子越虚。radius 就是在描述这件事。下一篇会展开。

问题 3：为什么只有两个 uint8_t？

因为它不做表面着色，只做阴影，而阴影在这里只需要"多深"这一个参数。两个值分别对应两种阴影：环境光阴影（物体紧贴地面那一圈，接触阴影）和聚光阴影（光源方向投出去的那一片）。

不是简化，是这个场景根本不需要光照模型。

自测

1. 为什么 Lambert 漫反射项里没有观察方向 V？

因为漫反射就定义为"光打到粗糙表面后向各个方向均匀散开"。既然各方向均匀，从哪个角度看就都一样亮。

这是"漫反射"这个名字的全部含义，也是它和高光最本质的区别——高光强烈依赖 $V$ ，你走动时高光会跟着移动，漫反射不会。

2. 为什么正对光源最亮？用一句物理解释，别用公式。

同样多的光被摊在了更大的面积上。

光束的总能量不变，但表面倾斜时被照亮的面积变大——图里 70° 时照亮长度是正对时的 2.92 倍，于是单位面积接收到的能量降到 $\cos 70° = 0.34$ 。

所以余弦不是凑出来的经验公式，是投影面积的几何必然。

3. shininess 从 16 调到 64，材质看起来会怎么变？

更光滑、更像金属。

高光的半亮角从 16.7° 收窄到 8.4°，反光区域面积大约缩到四分之一，同时显得更亮更集中。

直觉上：指数控制的是"这个表面把光反射得有多集中"。哑光材质把光散得很开（小指数），镜面把光全部集中到一个方向（大指数）。

4. 经典 Phong 模型的"能量不守恒"具体指什么？会怎样？

$k_a$ 、 $k_d$ 、 $k_s$ 是三个互相独立的手调常数，加起来可能超过 1——表面反射出去的光超过了它接收到的。

图里 $0.1 + 0.8 + 0.6 = 1.50$ ，凭空多了 50%。画面上表现为不自然的过曝、发光感。

更麻烦的是可移植性：这套数字和物理量没有对应关系，在一个光照环境下调好看了，换个场景就得重调。这正是 PBR 用 roughness/metallic 替代它们要解决的问题。

5. 为什么金子的高光是金黄色，塑料的高光是白色？

因为金属度不同。

非金属（塑料）：入射光大部分折射进材质内部，被内部颗粒散射后再出来，带上了材质的颜色——这形成有颜色的漫反射。而表面直接反射的那部分几乎不改变颜色，所以高光是光源的颜色（通常是白）。

金属：几乎没有次表面散射，光要么被表面直接反射、要么被吸收。所以漫反射趋近于零，而反射光会被金属本身的电子结构选择性吸收，带上材质颜色——金子的高光就是金黄的。

这也是为什么 PBR 里 metallic 通常是 0 或 1 而不是中间值：材质要么是金属要么不是。

小结

概念	一句话	要点
hwui 那盏灯	只算阴影形状，不做着色	`radius` 决定影子有多虚
Lambert 漫反射	$k_d\max(N\cdot L,0)$	余弦来自投影面积，与视角无关
clamp 到 0	拦住背面的"负光照"	物理上不成立的结果
高光 Blinn-Phong	$k_s\max(N\cdot H,0)^n$	半程向量 $H$ 是 $L$ 和 $V$ 的角平分线
shininess	控制反光有多集中	4→32.8°，256→4.2°
环境光	常数项，补间接光的洞	局部光照模型算不出全局效果
能量不守恒	三个独立常数可能加超过 1	过曝、换场景要重调
PBR	换成 roughness / metallic	物理参数，跨环境可复用
金属 vs 非金属	漫反射趋零、高光带色	解释了金子为什么反金光
线性空间	光照计算必须在线性域	贴图声明 sRGB，硬件自动解码