菲涅尔效应（Fresnel Effect）是光与物质界面交互的基本物理现象，其本质源于电磁波在不同介质交界处的反射和折射规律。以下是其原理及在渲染与现实中的体现：
一、菲涅尔效应的物理原理
菲涅尔方程描述了光线在两种介质界面处的反射率与折射率的关系，其核心结论是：
- 反射率随入射角变化：当光线以垂直角度（法线方向）入射时，反射率最低；随着入射角增大（接近掠射角），反射率逐渐升高。
- 材质特性影响反射率：导体的反射率普遍较高（如金属），而绝缘体（如玻璃、塑料）在垂直入射时反射率较低，但掠射角时反射率显著增加。
例如：
- 水面：当垂直观察时，水面透明（反射率低）；当视线与水面接近平行时，水面像镜子一样反射环境（反射率高）。
- 金属：即使垂直观察，金属仍有明显反射，但掠射角时反射更强烈。
二、渲染中为何需要计算菲涅尔效应
在计算机图形学中，菲涅尔效应是**物理真实感渲染（PBR）**的核心要素之一，原因如下：
- 模拟真实光行为：忽略菲涅尔效应会导致材质反射特性失真。例如，金属在掠射角缺乏高光，或非金属材质显得过于“塑料感”。
- 能量守恒：菲涅尔效应与材质的折射率（IOR）直接相关，确保光线在反射和折射之间合理分配能量，避免违反物理规律。
- 视觉提示：菲涅尔效应为材质提供重要的视觉线索（如边缘高光），帮助人眼感知材质类型（金属/非金属）和表面曲率。
技术实现：
- Schlick近似：简化菲涅尔方程，用 F(θ)=F0+(1−F0)(1−cosθ)5 快速计算反射率，其中 F0 是垂直入射时的基础反射率。
F(θ)=F0+(1−F0)(1−cosθ)5
F0
- 材质分类：导体（金属）的 F0 值较高（如金：0.8
1.0），绝缘体 F0F0 较低（如玻璃：0.040.08）。
F0
三、现实世界中万物皆有菲涅尔现象的原因
菲涅尔效应是电磁波传播的普遍规律，只要光在两种介质界面发生交互（如空气到物体表面），菲涅尔效应必然存在。但现实中某些情况下可能不易察觉：
- 粗糙表面：微观几何散射会掩盖菲涅尔效应（如磨砂金属）。
- 多层材质：复杂材质（如皮肤、油漆）可能因多层散射削弱菲涅尔现象。
- 低反射率材质：非金属在垂直入射时反射率极低（如塑料仅反射约4%的光），但掠射角时反射率仍会趋近于1。
例证：
- 树叶：湿润的树叶因表面光滑，菲涅尔效应明显（掠射角反光）；干燥树叶因表面粗糙，菲涅尔效应被散射模糊。
- 皮肤：汗液或油脂层会增强菲涅尔反射，而干燥皮肤则因微表面散射显得更漫反射。
四、总结
- 渲染中的菲涅尔：是模拟真实光行为的必要计算，确保材质反射特性符合物理规律。
- 现实中的菲涅尔：是电磁波传播的必然结果，所有材质均遵循菲涅尔方程，但可能因表面特性（粗糙度、多层结构）或观察角度被弱化或掩盖。
菲涅尔效应在渲染中的重要性，本质上是对物理世界光学规律的忠实复现，而现实中的万物皆受这一规律支配。
