第二部分原理： 材质的各种属性是如何模拟现实的光学物理现象的呢？这必须从物理学上谈起。
一、光与物质的交互
光是一种横向传播的电磁波，电磁波的波长范围非常广，但只有390~760nm之间的一段波谱是人眼可见到的，也就是在图形学里对渲染着色起作用的部分。另外因为光有波粒二象性的缘故，有时候我们在图形学里也会把光做为光子（photon）来处理。
1、当光投射到传感器（眼睛，照相机等）上时，颜色和亮度就会被吸收并感知，而光与物质交互后被感知的，就是物体的颜色。
2、均匀介质
内部密度相同的物质，意味着它有唯一的折射率，对应透明的均匀物质来讲（如水，玻璃），光通过时，并不会改变光的颜色或强度。
3、光被吸收（absorption）。
而当物质对某一种可见光谱有吸收率的时候，那么，光就会随着在物质内的传播距离而逐渐被吸收，而光的方向并不发生改变。
4、非均匀物质
当非均匀物质内部的折射率非常突然的时候，这时就会发生散射（Scattering）现象，光会被分割为多个方向，但光的总量并不会发生变化。
5、自发光”emission“。 物质还可能因为其他能量发出新的光。
总之，光与物质交互的三种方式，吸收，散射，发光。
二、光与平面的交互
光与物质交互发生在物体表面时，关于光与空气和物质之间的散射效果。这个时候平面散射光会分为两部分：一部分进入平面的部分（折射 ，在物体内部传播中被吸收或散射），另一部分从平面出去的部分（反射 ）。
1、镜面反射： 一个假设完美无限光学平坦的平面（简称光学平面 ）反射效果，平面两侧的空气和物体有各自的折射率。（注意模型底下反射的是地面）
2、非镜面反射 ：但实际上，平面大多都不是光学平面（除了镜子或镜头等），而是一种微几何体（Microgeometry），表面都会有一些比可见光波长要大的不规则凹凸，但又小到无法覆盖一个像素或者采样点，所以，我们就把这种非光学平面 。
3、光滑 roughness
平面相对平滑时，表面方向的变化也比较轻微，从而反射光的方向变化也较小，有了较清晰的反射。而下面的表面粗糙，表面方向的变化范围也较广泛，反射光的方向变化也比较大，出现了模糊的反射。
4、漫反射光与镜面光（diffuse and specular)
从平面直接反射的部分称为镜面反射光（Specular），来源于拉丁语的“Mirror”，镜面光的颜色，通常就是灯光的颜色，只有照射在金属上才会改变颜色（实际是金属吸收了特定波长的光），传入到物体内部，而经过折射，被材质吸收（转变为热能），或者内部进行散射，一些散射光最终会重新返回从平面折射出来，并被摄像机或眼睛所捕捉到，称为漫反射光（Diffuse）。
漫反射光被物质吸收并散射后，会成为不同波长的光，这也就给予了物体颜色，比如物体吸收了蓝色以外的光，那物体就是蓝色的，而因为散射的混乱比较均匀，从每个方向看起来都是一样，所以这点和镜面光不一样。也可以使用这个名字albedo来描述。
5、金属和 非金属
物体内部的折射光的作用，取决于物体内部的组成，内部组成的不同，可以分为，金属（metal）导体，电介质（Dielectrics）绝缘体和半导体（Semiconductors ），在处理物体时简单的分组为金属和非金属就可以了。金属会吸收所有的折射光，而且通常会被绝缘体的反射率要高，通常的反射率要达到60%~90%，而绝缘体则是0%~20%，反射率高，就防止了入射光被吸或折射，这样，金属就有了”闪亮“的外观。
金属的折射光能量都立刻被自由电子吸收，而非金属（绝缘体），光会在内部进行吸收和散射活动，最后，一些折射光会通过散射，重新从入射平面反方向射出
6、非金属的折射光会进行散射
导体的反射会跨越光谱，所以反射是有颜色的，虽然颜色反射在导体里比较罕见的，但在一些日常的材质里（金，铜，黄铜）还是可以看到这种效果，而绝缘体的反射通常是他们的本来颜色，因为金属会吸收所有的穿透光，也就没有任何漫反射（diffuse）部分，但金属氧化的部分和一些表面残留物还是会散射少量的光。不同材质的漫反射颜色，金属为0。
7、次级表面散射 （Subsurface Scattering）
从前面的图中，可以看到折射后的散射光从平面不同的点发射出来，和原始的入射点的距离也各不相同，可以统称为次级表面散射光，根据散射出的距离和入射点像素的大小的关系，可以分为两种情况：
如左图所示，当像素的尺寸大于入射到出射点的距离时，这个距离就可以被忽略，可以认为这个平面散射出的光和入射光是在相同点上，也就是右图的样子，也就是我们常说的漫反射。
当像素小于出射到入射距离时，每个点的着色就会收到其他光入射到其他点的影响，也就是常说的“次级表面散射”技术，很重要的一点是，它和普通的漫反射着色是一种物理现象（都是折射光的次级表面散射），唯一不同的就是散射的距离与观察点大小的关系，一个通常被认为是“次级表面散射”的表现，当在较远的距离观察时，就可以被认为是漫反射着色（例如远距离角色的皮肤），而“正规的漫反射着色”在很近距离观察时，也会有次级表面散射的效果。
8、Fresnel现象
菲尼尔表现的是材质的反射率和入射角（也就是光源入射向量和平面法线向量的夹角）的对应关系，也就是说，入射光的角度越大，反射率也会越强。以水面为例，正常入射事只有3%的反射，而水平时则几乎到100%。
下图是水折射的菲尼尔现象，看近处和远处对比。离观测者越近折射越强烈，越远越模糊。
下图是水表面反射菲尼尔现象，离观测者越远反射越强烈，越近越模糊。
8、各向异性
前文已经提到了表面的微几何体。从宏观来看，在我们渲染模型网格时，使用凹凸贴图或法线贴图就可以描述表面小的细节。 但还是有一些微小的凹陷，裂缝或突起，而用肉眼是很难看清楚的，而且这些微几何体是有规律分布的，它小到连正常大小的法线贴图也无法来表现，虽然肉眼无法看到，但这些微观特征，还是对Diffuse和Specular产生了影响。光虽然向四处反射，但是有规律的，在模型表面有的地方强，有的地方弱，有的没有，这就是各个方向不同。
