基本概念
光线传输理论的核心概念包括辐射度量学，它定义了描述光线在空间中分布的物理量。这些量包括：
- 辐射率 (Radiance): 单位面积、单位立体角内的光通量，是最基本的辐射度量量，决定了我们所“看到”的亮度。
- 辐照度 (Irradiance): 接收到的单位面积上的光通量，描述了表面接收到的光量。
- 反射率 (Reflectance) 和透射率 (Transmittance): 分别描述了表面反射和透射光线的比例，是决定物体外观的重要属性。
传输方程
光线传输理论的核心是渲染方程，这是一个积分方程，描述了在一个给定点上的辐射率是如何通过周围环境中的光线贡献累积而来的。这个方程考虑了直接光照、间接光照、反射、折射以及光线的吸收等多种光线交互现象。 渲染方程是计算真实感图像的基础，也是复杂光线追踪算法的理论依据。
渲染方程可以被表示为：
L₀(x, ω₀) = Lₑ(x, ω₀) + ∫(fᵣ(x, ωᵢ → ω₀) Lᵢ(x, ωᵢ) (ωᵢ · n) dωᵢ)
其中：
- L₀(x, ω₀) 是点x处，沿方向ω₀的出射辐射率。
- Lₑ(x, ω₀) 是点x处，沿方向ω₀的自发光。
- fᵣ(x, ωᵢ → ω₀) 是双向反射分布函数 (BRDF)，描述了光线从ωᵢ方向到ω₀方向的反射特性。
- Lᵢ(x, ωᵢ) 是点x处，沿方向ωᵢ的入射辐射率。
- (ωᵢ · n) 是入射方向ωᵢ与表面法线n的点积，用于计算光线与表面的角度，即Lambert余弦定律。
- dωᵢ 是立体角微元。
重要应用
光线传输理论在许多领域都有广泛的应用：
- 计算机图形学：用于生成逼真的图像，包括电影特效、游戏渲染等。
- 光学：用于分析和设计光学系统，如相机镜头、望远镜等。
- 视觉科学：用于研究人类视觉系统的工作原理，包括色彩感知、亮度适应等。
- 科学可视化：用于模拟光在各种复杂环境中的传播，例如模拟天气现象、医学成像等。
理解光线传输对于创建照片级真实的图像至关重要，因为它考虑了光线与物体之间所有可能的交互。 比如，通过光线追踪技术，可以模拟光线从光源出发，经过多次反射、折射，最终到达摄像机，从而实现全局光照的效果，增强图像的真实感和沉浸感。
高级技术
为了解决渲染方程，研究人员开发了各种数值方法，包括：
- 光线追踪 (Ray Tracing)：通过模拟光线在场景中的路径来计算图像。
- 光子映射 (Photon Mapping)：通过追踪光子来近似光线传输。
- 基于物理的渲染 (Physically Based Rendering, PBR)：使用基于物理的材质模型和光照模型来生成更真实的图像。
结论
光线传输理论为我们理解光线与物体之间的相互作用提供了一个强大的框架。它通过数学模型精确地描述了光线的传播过程，是计算机图形学、光学和视觉科学等领域的重要基础。 随着计算能力的提升，以及算法的不断发展，光线传输理论将在创建更加逼真、更具沉浸感的视觉体验方面发挥越来越重要的作用。